開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計

開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計??

摘要：分析了開關(guān)電源電磁騷擾的機理，提出相應(yīng)的抑制措施。討論了電磁兼容設(shè)計中需要加以注意的問題。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁兼容；電磁騷擾；耦合通道

Electromagnetic Compatibility Design of Switching-mode Power Supply?

WANG Hui-li?

Abstract:The machanism of electromagnetic disturbance in switching-mode power supply is analysed,and the suppressing metheds are presented.A few key points of EMC design are discussed.

Keywords:Switching? mode power supply; Electromagnetic compatibility; EMD; Coupling path

中圖分類號：TN912?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：0219－2713(2003)04－0152－04

1? 引言

??? 電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMD是指電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，EMS則是指電氣產(chǎn)品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設(shè)備，應(yīng)該既不受周圍電磁環(huán)境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。

??? 開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（<30MHz）是比較低的。多數(shù)小功率開關(guān)電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于30MHz電磁場對應(yīng)的波長（空氣介質(zhì)中約為10m），開關(guān)電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時，主要考慮的是傳導(dǎo)騷擾。

2? 電磁騷擾

??? 討論電磁騷擾一般是從騷擾源的特性，騷擾的耦合通道特性和受擾體的特性三個方面來進(jìn)行的。

2.1? 開關(guān)電源中的主要電磁騷擾源

??? 開關(guān)電源中的電磁騷擾源主要有開關(guān)器件、二極管和非線性無源元件；在開關(guān)電源中，印制板布線不當(dāng)也是引起電磁騷擾的一個主要因素。

2.1.1? 開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾

??? 對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是

??? 1）開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

??? 2）脈沖變壓器初級線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

2.1.2? 二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾

??? 主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強度大，頻帶寬。整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于電源中的功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

2.1.3? dv/dt與負(fù)載大小的關(guān)系

??? 功率開關(guān)管開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的dv/dt是開關(guān)電源的主要騷擾源。經(jīng)理論分析及實驗表明，負(fù)載加大，關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大，而負(fù)載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的|dv/dt|不同，從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。

2.2? 開關(guān)電源電磁噪聲的耦合通道

??? 描述開關(guān)電源和系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾的耦合通道有兩種方法：

??? 1）將耦合通道分為共模通道和差模通道；

??? 2）采用系統(tǒng)函數(shù)來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。

??? 本文采用第一種方法進(jìn)行論述。

2.2.1? 共模和差模騷擾通道

??? 開關(guān)電源在由電網(wǎng)供電時，它將從電網(wǎng)取得的電能變換成另一種特性的電能供給負(fù)載。同時開關(guān)電源又是一噪聲源，通過耦合通道對電網(wǎng)、開關(guān)電源本身和其它設(shè)備產(chǎn)生騷擾，通常多采用共模和差模騷擾加以分析。

??? “共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致，其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾。

??? “差模騷擾”是指大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或?qū)ΨQ騷擾。是載流體之間的騷擾。

??? 共模騷擾說明騷擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種騷擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的，|di/dt|也產(chǎn)生一定的共模騷擾。但是，在低壓大電流的開關(guān)電源中，共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的還是由|di/dt|產(chǎn)生的，需要進(jìn)一步研究。

???? 在頻率不是很高的情況下，開關(guān)電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實質(zhì)上構(gòu)成一多輸入多輸出的電網(wǎng)絡(luò)，而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種處理方法，這種處理方法在某種場合還比較合適。但是，將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性，雖然能測量出共模分量和差模分量，但共模分量和差模分量是由哪些元器件產(chǎn)生的，的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述開關(guān)電源騷擾的耦合通道，即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關(guān)系，建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的結(jié)果，如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等，都可用來研究開關(guān)電源的EMD的調(diào)試和預(yù)測。但是，用系統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道，還需要做很多工作。

2.2.2? 雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

??? 在傳導(dǎo)騷擾頻段（小于30MHz）范圍內(nèi)，多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。

3? 電磁騷擾的抑制

??? 對開關(guān)電源的EMD的抑制措施，主要是

??? 1）減小騷擾源的騷擾強度；

??? 2）切斷騷擾傳播途徑。

??? 為了達(dá)到這個目的，主要從選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)?；采用正確的接地、屏蔽、濾波措施；設(shè)計合理的元器件布局及印制板布線等幾個方面考慮。

3.1? 減小開關(guān)電源本身的騷擾

??? 減小開關(guān)電源本身的騷擾是抑制開關(guān)電源騷擾的根本，是使開關(guān)電源電磁騷擾低于規(guī)定極限值的有效方法。

??? 1）減小功率管通、斷過程中產(chǎn)生的騷擾

??? 上面分析表明，開關(guān)電源的主要騷擾是來自功率開關(guān)管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開關(guān)電源騷擾的重要方面。人們通常認(rèn)為軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通、斷的dv/dt。但是，目前的一些研究結(jié)果表明軟開關(guān)并不像人們預(yù)料的那樣，可以明顯地減小開關(guān)電源的騷擾。沒有實驗結(jié)果表明，軟開關(guān)變換器在EMC性能方面明顯地優(yōu)于硬開關(guān)變換器。

??? 有文獻(xiàn)系統(tǒng)地研究了PWM反激式變換器、準(zhǔn)諧振零電流變頻開關(guān)正激變換器、多諧振零電壓變頻開關(guān)反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關(guān)正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關(guān)反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EMD特性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實驗結(jié)果表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關(guān)變換器的EMD電平最低。

??? 因此，采用軟開關(guān)電源技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關(guān)電源的EMD水平有一定的改善。

??? 2）開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

??? 將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機調(diào)制，變頻調(diào)制等。頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的騷擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波騷擾，低頻段的騷擾主要集中在各諧波點上。由F.Lin提出的開關(guān)頻率調(diào)制方法^[3]，其基本思想是通過調(diào)制開關(guān)頻率f_c的方法，把集中在開關(guān)頻率f_c及其諧波2f_c，3f_c……上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個頻點上的EMD幅值，以達(dá)到低于EMD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種開關(guān)調(diào)頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量，但它把能量分散到頻點的基帶上，以達(dá)到各個頻點都不超過EMD規(guī)定的限值。

3.2? 接地

??? “接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同?！暗亍钡慕?jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點或平面”。

3.2.1? 設(shè)備的信號接地

??? 設(shè)備的信號接地，可能是以設(shè)備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設(shè)備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

??? 在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點接地和多點接地。

??? 1）浮地

??? 采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點是抗騷擾性能好。

??? 浮地的缺點是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強的騷擾源。

??? 一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

??? 2）混合接地

??? 混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時，將每個子系統(tǒng)的直流地通過10～100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點有低阻抗連接起來，連接點應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度（di/dt）信號存在的點。

3.2.2? 設(shè)備接大地

??? 在工程實踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，通常還將設(shè)備的信號地，機殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點。設(shè)備接大地的目的是

??? 1）保證設(shè)備操作人員人身的安全。

??? 2）泄放機箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。

??? 3）避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

??? 由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制騷擾發(fā)生的重要手段。

3.3? 屏蔽

??? 抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽，即用電導(dǎo)率良好的材料對電場屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外，還要對整個開關(guān)電源進(jìn)行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)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，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會成為騷擾發(fā)射天線，嚴(yán)重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若用磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。

3.4? 濾波

??? 電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。對提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。

??? 開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾以傳導(dǎo)騷擾為主，而傳導(dǎo)騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導(dǎo)EMD最有效的方法是利用無源濾波技術(shù)。

??? 作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMD濾波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓?fù)洌以诤艽蟪潭壬弦彩蹺MD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設(shè)計不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計方法和理論。這是電源波波器設(shè)計面臨的主要問題。

3.5? 元器件布局及印制電路板布線

??? 開關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射騷擾E∝I·A·f²。運用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長。

??? 上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。

??? 在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。

??? 布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進(jìn)行的，因此在布線時，應(yīng)注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有

??? 1）盡量增大線間距離，使電容耦合為最??；

??? 2）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；

??? 3）降低敏感線路的輸入阻抗。

??? 對磁場的抑制方法有

??? 1）減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積；

??? 2）增大線間距離，使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地??；

??? 3）最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。

4? 結(jié)語

??? 開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計的目的是使產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境下正常工作，也就是說，電源產(chǎn)品應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時，無性能的下降或故障；同時，電源產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁極限值要求，對電磁環(huán)境不構(gòu)成污染源，而實現(xiàn)電磁兼容。

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