基于開關電源的EMC設計 - 全文

開關電源因體積小、功率因數(shù)較大等優(yōu)點，在通信、控制、計算機等領域應用廣泛。但由于會產(chǎn)生電磁干擾，其進一步的應用受到一定程度上的限制。本文將分析開關電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機理，并在其基礎之上，提出開關電源的電磁兼容設計方法。
　　開關電源的電磁干擾分析

　　開關電源的結構如圖1所示。首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后再經(jīng)整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。電路設計及布局不合理、機械振動、接地不良等都會形成內部電磁干擾。同時，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，也是潛在的強干擾源。

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圖1? AC/DC開關電源基本框圖

　　1 內部干擾源

　　● 開關電路

　　開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成。開關管及其散熱片與外殼和電源內部的引線間存在分布電容，它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。當原來導通的開關管關斷時，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E＝-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。

　　● 整流電路的整流二極管

　　輸出整流二極管截止時有一個反向電流，其恢復到零點的時間與結電容等因素有關。它會在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生很大的電流變化di/dt，產(chǎn)生較強的高頻干擾，頻率可達幾十兆赫茲。

　　● 雜散參數(shù)

　　由于工作在較高頻率，開關電源中的低頻元器件特性會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，而分布電容成為電磁干擾的通道。

　　2 外部干擾源

　　外部干擾源可以分為電源干擾和雷電干擾，而電源干擾以“共?！焙汀安钅！狈绞酱嬖凇Ｍ瑫r，由于交流電網(wǎng)直接連到整流橋和濾波電路上，在半個周期內，只有輸入電壓的峰值時間才有輸入電流，導致電源的輸入功率因數(shù)很低（大約為0.6）。而且，該電流含有大量電流諧波分量，會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。

　　開關電源的EMC設計

　　產(chǎn)生電磁干擾有3個必要條件：干擾源、傳輸介質、敏感設備，EMC設計的目的就是破壞這3個條件中的一個。針對于此，主要采取的方法有：電路措施、EMI濾波、屏蔽、印制電路板抗干擾設計等。

　　1 降低開關損耗和開關噪聲的軟開關技術

　　軟開關是在硬開關基礎上發(fā)展起來的一種基于諧振技術或利用控制技術實現(xiàn)的在零電壓/電流狀態(tài)下的先進開關技術。

　　軟開關的實現(xiàn)方法是：在原電路中增加小電感、電容等諧振元件，在開關過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。圖2給出了一種使用軟開關技術的基本開關單元。

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圖2? 降壓斬波器中的基本開關單元

　　2 減小干擾源干擾能量的緩沖電路?

　　在開關控制電源的輸入部分加入緩沖電路（見圖3），其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡組成，用于消除電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓高低變化和電力線諧波等潛在的干擾。緩沖電路器件參數(shù)為D1為MUR460，R1=500Ω，C=6nF，L=36mH，R=150Ω。

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圖3? 緩沖電路

　　3 切斷干擾噪聲傳播路徑的EMI濾波

　　在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器，是抑制傳導發(fā)射的一個很有效方法。其參數(shù)主要有：放電電阻、插入損耗、Cx電容、Cy電容和電感值。其中，插入損耗是濾波器性能的一個關鍵參數(shù)。在考慮機械性能、環(huán)境、成本等前提下，應該盡量使插入損耗大一些。用共模、差模干擾的測量結果與標準限值，加上適當?shù)脑Ａ靠傻玫綖V波器的插入損耗IL。

　　ILCM(dB)=Vcm(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)???????????????????? (1)

　　ILDM(dB)=VDM(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)??????????????????? (2)

　　式中，3dB表示在分離共模、差模傳導干擾的測試過程中測試結果比實際值大3dB；M(dB)表示設計裕量，一般取6dB；Vlimit(dB)為相關標準如CISPR,FCC等規(guī)定的傳導干擾限值。

?????? 圖4是220V/50Hz交流輸入的開關電源交流側EMI濾波器的電路。Cy＝3300pF，L1、L2＝0.7mH，它們構成共模濾波電路，抑制0.5～30MHz的共模干擾信號。Cx＝0.1μF，L3、L4＝200～500μH，采用金屬粉壓磁芯，與L1/L2、Cx構成L-N端口間低通濾波器，用于抑制電源線上存在的0.15～ 0.5MHz差模干擾信號。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。

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圖4? 開關電源交流側EMI濾波器電路

　　圖5是開關電源的直流輸出側濾波電路，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。

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圖5? 支流側濾波電路

　　4 用屏蔽來抑制輻射及感應干擾

　　開關電源干擾頻譜集中在30MHz以下的頻段，直徑r＜λ/2π,主要是近場性質的電磁場，且屬低阻抗場?？捎脤щ娏己玫牟牧蠈﹄妶銎帘危脤Т怕矢叩牟牧蠈Υ艌銎帘?。此外，還要對變壓器、電感器、功率器件等采取有效的屏蔽措施。屏蔽外殼上的通風孔最好為圓形，在滿足通風的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁的連續(xù)性。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施。對于電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地。對于磁場屏蔽，屏蔽外殼不需接地。

5 合理的PCB布局及布線

　　敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設備相連的線路。要降低干擾水平，最簡單的方法就是增大干擾源與敏感線路的間距。但由于受電源尺寸的限制，單純的增大間距并非解決問題的最佳途徑，更為合理的方法是根據(jù)干擾電場的分布情況將敏感線路放在干擾較弱的地方。PCB抗干擾布局設計流程如圖6所示。

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圖6? PCB抗干擾布局設計流程
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