設(shè)計(jì)或應(yīng)用時(shí)如何攻克電源的EMI難題

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用對(duì)開關(guān)電源提出更苛刻的技術(shù)要求，不僅講究高效率、高功率密度，且為保證模塊及整體系統(tǒng)的可靠性，會(huì)要求電磁干擾盡可能小。那么在設(shè)計(jì)或應(yīng)用時(shí)如何攻克電源的EMI 難題呢？本文將為你解答。

現(xiàn)今開關(guān)電源的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM），當(dāng)工作在高頻通斷狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管、整流二極管、變壓器等高動(dòng)態(tài)功率器件在快速瞬變過(guò)程中，產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾噪聲和尖峰干擾噪聲，并通過(guò)輸入輸出線、分布電容的傳導(dǎo)、空間輻射、串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。

一、電磁干擾(EMI)的綜述

1、電磁干擾(EMI)危害

在電子終端設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中，電磁干擾(EMI)對(duì)系統(tǒng)的危害是顯而易見的，主要有如下三個(gè)：

• 影響電子終端設(shè)備性能，甚至導(dǎo)致其不能正常工作；

• 由于電磁噪聲的干擾，導(dǎo)致電氣、電子設(shè)備的器件高壓擊穿、燒毀，可能引起周圍易燃易爆物的起火、爆炸，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡；

• 電磁波能量會(huì)對(duì)人的身體造成一定的危害，危及人的身體健康。

2、電磁干擾產(chǎn)生的源頭

對(duì)于高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有各種各樣的電路拓?fù)湫问?，但它們核心噪聲源的產(chǎn)生原因是相同的：即，瞬態(tài)變化大電流和高電壓，產(chǎn)生高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動(dòng)態(tài)功率器件都是電磁干擾(EMI) 噪聲的源頭。

3、電磁干擾(EMI)要素

開關(guān)電源電磁干擾（Electro Magnetic Interference，簡(jiǎn)稱EMI）產(chǎn)生的條件和傳播途徑如圖1所示：騷擾源、騷擾路徑、敏感設(shè)備。傳導(dǎo)騷擾路徑主要通過(guò)共阻抗耦合、容性耦合、感性耦合，測(cè)試頻段在150K~30MHz之間；以空間途徑輻射為主的噪聲是輻射騷擾干擾，即電磁場(chǎng)能量以場(chǎng)的形式向四周空間傳播，測(cè)試頻段在30M~300MHz之間。

圖1 電磁干擾三大要素圖

4、測(cè)定噪聲的標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn)一般由國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)、政府，甚至由軍事部門組織定制的一系列的電磁兼容可靠性標(biāo)準(zhǔn)，其強(qiáng)制要求確保電子設(shè)備和各單元電路符合電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)主要有歐洲無(wú)線電干擾委員會(huì)的CISPR Pubxxx，德國(guó)的VDE xxx和美國(guó)的FCC Part xxx標(biāo)準(zhǔn)，以及我國(guó)定制的EMI標(biāo)準(zhǔn)GB9254 xxxx完全等效采用CISPR Pubxxx的標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，只要滿足CISPR Pubxxx B級(jí)的電源設(shè)備與電子設(shè)備時(shí)不會(huì)相互影響。表 1為CISPR Pubxxx B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 CISPR Pubxxx B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表1所示，015～30MHz頻率的噪聲為傳導(dǎo)干擾噪聲，一般以公共地線、電源線、分布電容等途徑傳播；30MHz～300MHz頻率的噪聲源，一般以空間傳播的方式對(duì)外干擾傳播，這種噪聲叫做輻射噪聲。

二、電磁干擾(EMI)的解決途徑

1、噪聲源頭的分布

開關(guān)電源是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源，如圖2所示：

• 開關(guān)管Q1、整流二極管D2在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較幅度大、頻帶寬的瞬態(tài)電流和瞬態(tài)電壓；

• 存在漏感的高頻變壓器T1的初級(jí)線圈是開關(guān)管Q1的感性負(fù)載，使得開關(guān)管Q1高頻通斷瞬間，產(chǎn)生較大的浪涌電流和衰減振蕩的尖峰電壓；

• 特別在高頻開關(guān)電源中，雜散參數(shù)的分布是耦合通道主要途徑，特別是電路中存在的分布電容；

• 在PCB制板時(shí)，因PCB板布局和走線不合理而產(chǎn)生的高次諧波干擾回路；

• 低頻特性的器件如果工作在高頻狀態(tài)下時(shí)，其性能會(huì)發(fā)生改變，也是噪聲產(chǎn)生的原因之一。

圖2 噪聲源的分布圖

這些干擾噪聲源的頻率從幾百KHz到幾十MHz，甚至上百M(fèi)Hz，都是寬頻帶的噪聲信號(hào)源，在設(shè)計(jì)輸入電磁干擾抑制濾波器時(shí)，必須對(duì)高次諧波噪聲源產(chǎn)生的原理有充分的認(rèn)識(shí)和了解。

2、傳導(dǎo)干擾抑制措施

圖2所示傳導(dǎo)干擾一般分為：差模干擾(DM)和共模干擾(CM)。差模干擾指的是干擾電壓存在于輸入線及其地回線、輸出線及其地回線之間噪聲。共模干擾指的是干擾電壓在輸入、輸出線及其地回線上的幅度相同的噪聲，參考電位一般以大地為主。

（1）電源輸入EMI濾波器

圖3 輸入EMI濾波電路圖

圖3是典型的輸入EMI抑制電路。當(dāng)電網(wǎng)受到雷擊時(shí)，產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開關(guān)電源設(shè)備時(shí)，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護(hù)。

R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路，是輸入濾波電路，主要是對(duì)電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制，防止對(duì)開關(guān)電源干擾，同時(shí)也抑制開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng)，綠化電網(wǎng)的電磁污染。

電容C1、C3、C5為Y電容，選擇主要考慮漏電流，容值越大EMI效果越好，但是漏電流就越大，存在安規(guī)不符合的風(fēng)險(xiǎn)。

電感LF1、LF2為共模扼流圈，主要針對(duì)共模噪聲，一般選用高磁導(dǎo)率、取mH級(jí)別感值；差模干擾主要通過(guò)X電容C2、C4濾除，一般不添加差模電感，因?yàn)槿菀罪柡汀?/p>

（2）開關(guān)管與整流二極管的噪聲抑制措施

開關(guān)電源在工作過(guò)程中，由于開關(guān)管、整流二極管存在結(jié)電容，在快速開關(guān)的時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰，通過(guò)耦合通道傳遞或發(fā)射出來(lái)。另外開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器初級(jí)繞組的漏感可能產(chǎn)生諧振而產(chǎn)生干擾信號(hào)。因此可采用的對(duì)策有：

• 在開關(guān)管D極和G極穿接一個(gè)磁珠環(huán)，減小開關(guān)管的電流變化率，從而達(dá)到減小尖峰電壓的目的；

• 在開關(guān)管柵源間加RC緩沖吸收電路，從而減小開關(guān)管在快速通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓；

• 減小開關(guān)管與周邊組件的壓差，那么開關(guān)管的結(jié)電容可充電的程度會(huì)得到一定的降低；

• 增大開關(guān)管的G極驅(qū)動(dòng)電阻。如圖4所示。

圖4 用于尖峰電壓吸收的幾種電路

（3）高頻變壓器噪聲抑制措施

高頻變壓器是開關(guān)電源的儲(chǔ)能組件，在能量的充放過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾。特別是高頻變壓器的漏感和分布電容形成的振蕩回路，產(chǎn)生高頻振蕩并且向外輻射電磁波能量，造成電磁干擾。對(duì)此可采用的對(duì)策有：

• 變壓器初次級(jí)間加屏蔽，并且銅箔要接地，將初次級(jí)的干擾噪聲隔離，分布電容、接地銅箔構(gòu)成共模干擾噪聲的回路，使其不能傳入次級(jí)端，起到電磁屏蔽的作用；

• 降低開關(guān)電源的工作頻率，減緩能量的快速充放過(guò)程；

• 在制作變壓器，采用三明治繞法，減小其漏感和匝間電容，降低電壓尖峰，減小寄生振蕩，起到減小干擾的作用。

3、輻射干擾抑制措施

開關(guān)電源工作時(shí)會(huì)向空間輻射干擾：

• 輻射噪聲的幅值與輻射源的距離成反比，若空間結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，無(wú)法拉開距離時(shí)，則采用屏蔽技術(shù)；

• 由于電源輸入線容易通過(guò)電網(wǎng)引入噪聲,而且輸入線與高頻變壓器連接,產(chǎn)生高頻動(dòng)態(tài)的電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)，會(huì)耦合到輸出線上,對(duì)供電對(duì)象設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾,所以輸入線與輸出線必須盡量遠(yuǎn)離；

• 有動(dòng)態(tài)大電流流過(guò)的導(dǎo)線在PCB布局時(shí)盡量的短、盡量的粗，遠(yuǎn)離低頻信號(hào)線；

• 高功率、高頻通斷工作的器件，在接地時(shí)應(yīng)以最短、盡量粗的引線與電容的地連接；

• 動(dòng)態(tài)大電流環(huán)是輻射的感性耦合途徑之一，環(huán)路面積應(yīng)盡量小。

三、結(jié)論

開關(guān)電源的是否穩(wěn)定可靠是整個(gè)電氣設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)核心要求，特別是電磁干擾的濾波電路設(shè)計(jì)是否符合要求，決定著電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的EMI濾波電路時(shí)，應(yīng)該綜合考慮高功率器件噪聲的抑制、PCB結(jié)構(gòu)的布局、高頻變壓器的設(shè)計(jì)、接地等等，盡可能使其符合國(guó)內(nèi)外電磁干擾噪聲的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)出來(lái)的開關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)上能得到更加廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生價(jià)值。

對(duì)于自主搭建的電源模塊，不僅研發(fā)周期較長(zhǎng)和生產(chǎn)成本較高，且產(chǎn)品的一致性與可靠性均難以保證，此時(shí)可以選用一款優(yōu)質(zhì)的電源模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個(gè)系列，封裝形式多樣，兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝。同時(shí)致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)、齊全的測(cè)試設(shè)備，全系列隔離DC-DC電源通過(guò)完整的EMC測(cè)試，靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV，可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。