开关电源的电磁兼容设计

1万 · 2013-12-27 11:37

1引言

随着电子设备的大量应用，电源在这些设备中的地位越来越重要，而开关电源由于体积小、重量轻、效率高等特点，在电源中占的比重越来越大。开关电源大多工作在高频情况下，在开关器件的导通关断过程中，寄生元件(如寄生电容、寄生电感等)中能量的高频变化产生了大量的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)。

EMI信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过在电路、空间中的传导和辐射，污染了周围的电磁环境，人们经常遇到在同一电磁环境中存在几台带电子或电气设备同时工作的情况，当其中一台设备如果EMI不好，会产生强烈的骚扰从电源线向外扩展影响同一环境的其他设备的正常工作。这就是我们必须面对的--电磁兼容(Eleclromagnetic Compatibility)性问题。随着近年来各国对电子设备的电磁干扰和电磁兼容性能要求的不断提高，对电磁干扰以及抑制方法的研究已成为开关电源研究中的重点之一。

2 EMC基本框架

EMI--电磁干扰是一种不希望存在的信号，它对电子设备或系统的正常工作造成有害影响。几乎每一种电子设备都会产生不同程度的电磁干扰信号，这些信号可能以电磁辐射的形式发射出来，也可能通过电缆比如电源线进行传播，同样几乎所有的电子设备对其他设备产生的干扰信号都很敏感。

电磁干扰的产生必须具备三个因素：即传导和辐射电磁波的源，电磁波借以发射的传播媒介以及从接收到的信号中深受干扰的接收器。三者只要消除其一电磁干扰就不会发生，所以要想做到电磁兼容性只要设法减弱发射源的信号电平，切断传播路径或者提高受干扰设备的抗干扰能力。

在频率划分上：

0.15MHZ～30MHz为传导干扰，30MHz以上为辐射干扰，电源辐射干扰频率一般为30MHz～300MHz。

EMS--指的是电子设备的抗干扰能力，指电子设备能在预期的电磁干扰环境中正常工作无性能降低或故障。它也分为两个方面：传导敏感度和辐射敏感度。

3开关电源中的主要电磁干扰源

开关电源中的电磁干扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件；在开关电源中，印制板布线不当也会引起电磁干扰。

1万 · 2013-12-27 11:37

3.1 开关电路产生的电确干扰

对开关电源来说，开关电路产生的电磁干扰是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的dv／dt是具有较大辐值的脉冲，频带较宽且谐波丰富。

以单端反激式开关电源为例：

1)开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的电流，并在初级线圈的两端出现较高的尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和MOS管的栅极电路中的电容、电阻形成寄生振荡并叠加在开关电压上，形成开关噪声，这个噪声源一旦传导到输入输出端，就形成了传导干扰。

2)脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

3.2 二极管整流电路产生的电磁干扰

主电路中输出二极管产生的反向恢复电流的∣di／dt∣，这个电流变化大且容易产生电磁干扰且干扰强度大，频带宽。

4开关电源电磁噪声的耦合通道

4.1共模和差模干扰通道

开关电源在由电网供电时，它将从电网取得的电能变换成另一种特性的电能供给负载。同时开关电源又是一噪声源，通过耦合通道对电网、开关电源本身和其它设备产生干扰，开关电源的传导干扰的耦合通道通常分两种：共模通道和差模通道。

“共模干扰”是指干扰大小和方向一致，其存在于电源任何一相对大地、或载流体与大地之间的干扰。

“差模干扰”是指大小相等，方向相反，其存在于电源相线与相线之间，载流体之间的干扰。

共模干扰说明干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的，而差模干扰则说明干扰源于同一条电源电路的。

通常这两种干扰是同时存在的，两种干扰在传输中还会相互转化，情况十分复杂。

1万 · 2013-12-27 11:38

4.2 杂散参数耦合干扰通道

在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁干扰的通道。另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它也能形成面向空间的辐射干扰和电源线传导的共模干扰。

5电磁干扰的抑制

对开关电源的EMI的抑制措施，主要是

1)减弱发射源的干扰强度；

2)切断干扰传播途径。

电磁干扰的抑制主要从选择合适的开关电源电路拓扑；采用正确的滤波、屏蔽、接地措施；设计合理的元器件布局及印制板布线等几个方面考虑。

5.1 减小开关电源本身的干扰

减小开关电源本身的干扰是抑制开关电源干扰的根本，是使开关电源电磁干扰低于规定极限值的有效方法。

开关电源的主要干扰是来自功率开关管通、断时的dv／dt。因此减小功率开关管通、断的dv／dt的幅值是减小开关电源干扰的重要方面。为此开关管可增加缓冲电路、箝位电路、铁氧体磁珠来减小功率管通、断过程中产生的干扰，从而达到抑制EMI效果。

5.2滤波

电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导干扰，又可以降低从电网引入的传导干扰。对提高设备的可靠性有重要的作用。

开关电源产生的电磁干扰以传导干扰为主，而传导干扰又分差模干扰和共模干扰两种。目前抑制传导EMI最有效的方法是利用无源滤波技术。当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时可以用滤波器将无用的干扰滤除。在电磁兼容设计中滤波器通常是指低通反射式滤波器，它对干扰的抑制性能不仅取决于滤波器本身的拓扑，而且在很大程度上也受EMI滤波器输入、输出阻抗值的影响。好的滤波器能有效降低EMI的幅值，做EMI滤波器设计时不仅依靠理论设计，而且要多次试验靠实际结果来做参数调整，得到最佳效果。

1万 · 2013-12-27 11:38

5.3屏蔽

屏蔽是解决开关电源电磁兼容问题的重要且有效的手段之一。目的是切断电磁波的传播途径。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决，设备可加外壳并与电网地线相连，这个网罩结构可切断干扰的回路，使它不能流入电源的初级。网罩可用金属罩壳或内部表面用金属覆盖的塑料壳，屏蔽也可以只覆盖电源的高频电路如：高频变压器屏蔽，开关管和整流二极管的屏蔽来解决电磁干扰问题。屏蔽与设备的接触阻抗尽可能的低是很重要的，应该尽量避免使用太长的线来连接屏蔽，因为这样会使屏蔽性能变差。

5.4 地线设计

地线设计是一项重要的设计也是解决EMC问题最有效和最廉价的方法。但实际应用时技术却相当复杂。

如不考虑安全接地仅从电路参考点的角度考虑接地可分为悬浮地，单点接地，多点接地和混合接地。

悬浮地

是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体相绝缘即设备悬浮地，另一种情况是在有些电子产品中，为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路，有意使信号地与机箱绝缘，即单元电路悬浮地。悬浮地容易产生静电积累和静电放电，而成为破环性很强的干扰源。

单点接地

是为许多在一起的电路提供共同参考点的方法。它没有公共阻抗耜合和低频地习潞的问题在1MHz以下能工作得很好，但当频率升高时由于接地的阻抗较大电路上会产生较大的共模电压，所以要加一定的改进，将具有类似特性的电路连接在一起。为了减少公共阻抗耦合，骚扰最大的电路应该最靠近公共点。

多点接地

多点接地能够避免单点接地在高频时的问题。

混合接地

它既包含了单点接地的特性也包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频部分则需要多点接地。混合接地是使用电抗型器件使接地系统在低频和高频时出现不同的特性。

1万 · 2013-12-27 11:38

地线系统的设计步骤如下：

a)分析设备内各类部件的骚扰特性和敏感特性

b)搞清除设备内各类电路的工作电平

c)将地线分类划分组

d)画出总体布局框图

e)排出地线网

总的来说对于低于1MHz的场合尽量使用单点接地，高于10MHz时由于地线的电感使接地阻抗增加寄生电容产生意外的通路，应采用多点接地多点连接到一个低阻抗平面或屏蔽体上是较好的方法。

5.5 元器件布局及印制电路板布线

布线间的电磁耦合是通过电场和磁场进行的，因此在布线时，应注意对电场与磁场耦合的抑制。

1)增大线间距离，特别是使干扰源与敏感电路之间尽可能地大；

2)应尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其它印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，也可尽量加粗电源线和地线线条。

3)确定关键电路部分，包括：强干扰源和高敏感电路，对其采取特殊的隔离措施；

4)减小干扰源和敏感电路的环路面积；

5)设计线路板时，充分考虑器件的位置和方向；以便大大降低线路问耦合。

6结语

开关电源电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，也是实现设备或系统规定功能的重要保证。电磁兼容设计的目的是使产品在预期的电磁环境下正常工作无性能降低或故障；同时，电源产品满足标准规定的电磁极限值要求，对电磁环境而言不是一个新污染源，而实现电磁兼容。

开关电源的电磁兼容设计

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