隔离式DC/DC变换器的电磁兼容设计

1.2开关管开关时产生的电磁干扰

在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。在反激变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少。开关管在开通时，由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的dv/dt和很高的尖峰电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di/dt和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。

1.3电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰

在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，另外，功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频电磁场；电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时，当它工作在饱和状态时，将会产生电流突变，这些都会引起电磁干扰。

1.4控制电路引起的电磁干扰

控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。

1.5其他电磁干扰

电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等。另外，不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上，从而影响其它电路的正常工作。还有热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。

2外界的电磁干扰

对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周围的高频发射设备。

3开关电源的电磁兼容设计

进行开关电源的电磁兼容性设汁时，首先要明确系统需要满足的电磁兼容标准；确定系统内的关键电路，包括强干扰源电路、高度敏感电路；明确电源设备工作环境中的电磁于扰源及敏感设备；然后确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。因此，开关电源的电磁兼容设计主要从以下3个方面入手：

1)减小干扰源的电磁干扰能量；

2)切断干扰传播途径；

3)提高受扰设备的抗干扰能力。

下面以隔离式DC/DC变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计。

3.1DC/DC变换器输入电路的电磁兼容设计

如图2所示，FV1为瞬态电压抑制二极管RV1为压敏电阻，都具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流EMI滤波器，必须良好接地接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1及C1组成低通滤波电路，当L1电感值鞍大时，还须增加如图2所示的D1和R1，形成续流回路，吸收L1断开时释放的电场能量，否则，L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰，电感L1所使用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰，C1的容量较大为好，这样可以减小输入线上的纹波电压，从而减小在输入导线周围形成的电磁场。

3.4输出整流电路的电磁兼容设计

图6所示为半波整流电路，D6为整流二极管，D7为续流二极管，由于D6、D7，工作于高频开关状态，因此，输出整流电路的电磁干扰源主要是D6和D7．把R5、G12和R6、C13分别连接成D6、D7，的吸收电路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。

减少整流二极管的数量可减小电磁干扰的能量，因此，在同等条件下，采用半波整流比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。为减小二极管的电磁干扰，必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的、反向恢复时间短的二极管。从理论上讲，肖特基势垒二极管(SBD)是多数载流子导流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰，但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复电流会增大，也会产生电磁噪声。因此，在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管要小。"

3.5输出直流滤波电路的电磁兼容设计

输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播，减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。

如图7所示，L2、C7、C18组成的LC滤波电路，能减小输出电流、电压纹波的大小，从而减小通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C17、C18应尽量采用多个电容并联，以减小等效串联电阻，从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大，以减小输出纹波电流的大小，另外，电感L2最好使用不开气隙的闭环磁芯，最好不是饱和电感。在设计时要记住，导线上有电流、电压的变化，在导线周围就有变化的电磁场，电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。

C19用于滤除导线上的共模干扰，尽量选用低感电容，且接线要短。C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰，宜选用低感的三端电容，且接地线要短，接地可靠。Z3为直流EMI滤波器，根据情况决定使用或不使用，是采用单级还是多级，但要求Z3直接安装在金属机箱上，并且滤波器输入、输出线最好能屏蔽隔离。

3.6接触器、继电器、风机的电磁兼容设计

继电器、接触器、风机等在失电后，其线圈将产生较大的电压尖峰，从而产生电磁干扰，为此，在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路，在交流线圈两端并联一个压敏电阻用于吸收线圈失电后产生的电压尖峰。如果接触器线圈电源与辅助电源的输人电源为同一个电源时，之间最好通过一个EMI滤波器。继电器触头动作时也将产生电磁干扰，因此，也要在触头两端增加RC吸收电路。

3.7开关电源箱体结构的电磁兼容设计

1)材料选择在进行开关电源的箱体结构设计时，对于屏蔽材料的选择原则是，当干扰电磁场的频率较高时，选用高电导率的金属材料，屏蔽效果较好；当干扰电磁场的频率较低时，选用高磁导率的金属材料，屏蔽效果较好；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用高电导率和高磁导率的金属材料组成多层屏蔽体。

2)孔洞、缝隙、搭接处理方法采用电磁屏蔽方法无须重新设计电路，便可达到很好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽体是一个无缝隙、无孔洞、无透人的导电连续体，低阻抗的金属密封体，但是，开关电源需要有输入、输出线过孔、散热通风孔等，以及箱体结构部件之间的搭接缝隙，如果不采取措施，这些孔洞和缝隙将会导致电磁泄漏，使箱体的屏蔽效能降低、甚至完全丧失。因此，在设计开关电源箱体时，金属板之间的搭接最好采用焊接，无法焊接时要使用电磁密封垫或其它的屏蔽材料；箱体上的开孔孔径要小于被屏蔽的电磁波波长的1/2，否则屏蔽效果将大大降低；对于通风孔，在屏蔽要求不高时可以使用穿孔金属板或金属化丝网，在既要求屏蔽效能高，又要求通风效果好时选用截止波导管等方法，以提高屏蔽体的屏蔽效能。如果箱体的屏蔽效能仍无法满足要求时，可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了对开关电源整个箱体的屏蔽之外，还可以对电源设备内部的元器件、部件等干扰源或敏感设备进行局部屏蔽。

3)其他在进行箱体结构设计时，针对设备上所有会受到静电放电影响的部分，须设计一条低阻抗的电流泄放路径，箱体必须有可靠的接地措施，并且要保证接地线的载流能力，同时，将敏感电路或元器件布置得远离这些泄放回路，或对其采用电场屏蔽措施。对于结构件的表面处理，一般需要电镀银、锌、镍、铬、锡等，具体要从导电性能、电化学反应、成本及电磁兼容性等多方面考虑后做出选择。

3.8元器件布局与布线中的电磁兼容设计

对于开关电源设备内部元器件的布局必须整体考虑电磁兼容性的要求，设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径影响其它元器件或部件的正常工作，研究表明，在离干扰源一定距离时，干扰源的能量将大大衰减，因此，合理的布局有利于减小电磁干扰的影响。EMl输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入出口处，并保证输入与输出线的屏蔽隔离。敏感电路或元器件要远离发热源。对于开关电源产品，一般须遵守以下布线原则。

1)主电路输入线与输出线分开走线。

2)EMI滤波器输入线与输出线分开走线。

3)主电路线与控制信号线分开走线。

4)高压脉冲信号线最好分开单独走线。

5)分开布线要避免平行走线，可以垂直交叉，线束之间距离在20mm以上。

6)电缆不要贴着金属外壳和散热器走线，保证一定距离。

7)双绞线、同轴电缆及带状电缆在EMC设计中的使用。

(1)双绞线、同轴电缆都能有效地抑制电磁干扰在脉冲信号传输线路中常使用双绞线，控制辅助电源线和传感器信号线最好用双绞屏蔽线。因为双绞线两根线之间有很小的回路面积，而且双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有大小相等、方向相反，产生的磁场相互抵消，这样就可以减小因辐射引起的差模干扰，不过双绞线绞合的圈数最好为偶数，且每单位波长所绞合的圈数愈多，消除耦合的效果愈好。使用时注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地，只能单端接地，而对屏蔽线，屏蔽层两端接地能既能屏蔽电场还能屏蔽磁场，单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时还要注意，其屏蔽层必须完全包覆信号线接地，即接头与电缆屏蔽层必须360°搭接，才能有效屏蔽电磁场，如图8所示，信号线裸露部分仍可以与外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。

(2)带状电缆适合于短距离的信号传输为了降低差模信号的电磁辐射，必须减小信号线和信号回流线所形成的回路面积，因此，在设计带状电缆布局时，最好将信号线与接地线间隔排列。如图9所示，其中S为信号线，G为信号地线。

3.9元器件的选择

热传播的方式有三种，即传导、对流和辐射。热辐射是以电磁波的形式向空间传播的，热传导也会向周围其它元器件传导热量，这些都会影响其它元器件或电路的正常工作，因此，从元器件热设计方面考虑要尽量留有较大余量，以降低元器件的温升及器件表面的温度，除元器件对温升有特殊要求外，一般开关电源要求内部元器件温度小于90℃，内部环境温度不超过65℃，以减少热辐射干扰。