開關電源的EMC技術 - 全文

　　電子發(fā)燒友網：本文主要闡述開關電源的電磁騷擾抑技術（EMC）。開關電源電磁騷擾的抑措施對開關電源產生的 EMC 所采取的抑制措施，主要從兩個方面著：一是減小騷擾源的騷擾強度；二是切斷騷擾傳播。為了達到這個目的主要從以下幾個方面著手：選擇合適的開關電源工作方式及工作頻率；選擇合適的電路元件；采用正確的屏蔽方式、接地、濾波措施，使用合理的元件布局等幾種方法。

　　1 減小騷擾源的騷擾強度

　　選擇合適的開關電源的工作方式不同，他們的產生的電磁騷擾強度及所產生的電磁騷擾控制難度是不同的。例如：自激式開關電源在負載輕重不同時不但脈沖寬度會改變，其開關頻率變化很大，這樣給克服開關脈沖騷擾和控制其傳播帶來很大的難度；他激式開關電源開關頻率不變，它靠改變脈沖寬度來保持輸出穩(wěn)定。顯然，他激式開關電源更容易控制電磁騷擾。隔離型開關電源比隔離型開關電源騷擾小。橋式整流產生的騷擾比其它整流方式產生的騷擾小。光耦隔離比變壓器隔離的騷擾更容易控制。對 隔離型開關電源諧振型比極性反轉型騷擾小多了。

　　開關電源的工作頻率也與騷擾強度密相關。低的開關電源工作頻率不但可以減小騷擾的高頻分量，其傳導騷擾和輻射騷擾的傳播效率會大大降低。實際設計中，我們進行工作方式選擇時，綜合考慮其電磁容性能，這樣往往可以取到事功倍的效果。至于工作頻率，在不增加成本和影響工作效率的情況下當然是越小越好。

　　選擇合適的電路元件

　　開關電源電路是開關電源產生的電磁騷擾最直接和最主要的來源。在開關回路中，開關管是核心。我們實際設計和測試中發(fā)現，我們用同樣耐壓的電流容量的不同品牌的開關管進行輻射騷擾測試，整體騷擾最大的與最小的可能相差 15-20ｄＢ。

　　對傳導騷擾的頻率高端，我們也發(fā)現同樣的現象（對傳導騷擾的頻率低端這種現象沒有高端明顯）。這與開關管在設計中有否考慮電磁容有關。好的開關管在設計中考慮到了高頻率抑制信開關瞬間的震蕩并顧了轉換效率。這種開關管成本可能會高些。開關回路中另一關鍵部件是脈沖變壓器，脈沖變壓器，對電磁容的影響表現在兩個方面：一個是初級線圈與次級線圈間加靜電屏層并引出接地，該接地線盡量靠近開關管的發(fā)射極接直流輸入的 0Ｖ地（熱地），這樣可以大大減小分布電容ｃｄ，從而減小了初、次級的電場的耦合騷擾。

　　為了減小脈沖變壓器的漏磁，可以選擇封閉磁芯（如圓環(huán)），封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。不可以通過在脈沖變壓器外包高磁導率的屏材料抑制漏磁，從 而減小了通過漏磁輻射的騷擾。開關回路中的Ｃ1 選擇也很關鍵，選擇高頻特性良好的電容或在其上并聯(lián)一個高頻電容，降低高頻阻抗，可以減少高頻電流以差模方式傳導到交流電源中去形成傳導騷擾。在二次整流回路中，整流二極管Ｄ2 常關鍵。在低壓大電流 的整流回路中，快速恢復的肖特基是一種較好的選擇。對高壓輸出電路可選用其它快速恢復二極管或帶軟恢復特性的二極管。

　　騷擾吸收回路

　　可在開關回路的開關Ｔ兩端并聯(lián)ＲＣ吸收回中如圖 3（ｂ）所示，或在開關管Ｔ兩端并聯(lián)ＲＣ吸收回路如圖 3（ａ）所示，或在 ＲＣ/ＤＲＣ回路可吸收天開關管Ｔ接通和斷開瞬間產生的較高的浪涌尖峰電壓，降低開關回路的騷擾。如圖 3（ｃ）所示，在輸出端的整流二極管Ｄ2 和Ｄ1 正極引線中串接帶可飽和磁芯的線圈或微晶磁珠（ｃｏ系）ｓｃ1、ｓｃ2?？娠柡痛判揪€圈/微晶磁珠在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作，一旦電流要反向流過時，它將產生很大的反電勢，阻止反向電流的上，因此將它與二極管Ｄ1、Ｄ2 串聯(lián)就能有效地抑制二極管Ｄ2 的反向浪涌電流。徽晶磁珠可以直接套在二極管的引線上，使用方便，效果也比ＲＣ吸收回路好。另外，Ｄ1、Ｌ、Ｃ2組成的濾波網絡可以更好濾除輸出直流中的高頻紋波，減小輸出端的高頻差模騷擾。

　　一次整流回路中ＰＦＣ網絡

　　對一次整流回路，最顯著的騷擾是整流回路對交流電網的選擇性取電引起的供電網絡的波形畸變，功率因素偏低。為解決這個問題，可在一次整流回路加入現成的ＰＦＣ（功率因素控制）模板。該模塊分有源和無源兩種，有源模板效果更好，但電路復雜，成本較高。為了更適合所設計的產品，也有公司提供ＰＦＣ電路后一可將功率因素從 0.4 提到 0.9 以上?？梢允顾O計的開關電源順利通過ＧＢ176250.1－1998 的電流諧波測試。

　　2. 切斷騷擾傳播途徑

　　濾波技術

　　濾波技術是抑制的一種有效措施，其是在對付開關電源ＥＭＩ信號的傳導某些輻射騷擾方面，具有明顯的效果，電源線上的騷擾電路以兩種形式出現：一種是在火線零線回路中，其騷擾被稱為差模騷擾；另一種是在和火線、零線與地和大地的回路中，稱為共模騷擾。

　　差模騷擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性騷擾，共模騷擾在導線與地（機殼）之間傳輸，屬于非對稱性騷擾。通常 20KHZ 以下時，差模騷擾成分占主要成分。1MHZ 以上時，共模騷擾成分占主要成分。在一般情況下，差模騷擾頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導騷擾，把 EMI 信號控制在有關 EMC 標準規(guī)定的極限電平以下。

　　除抑制騷擾源以外，最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝 EMI信號，只要選擇相應的去耦電路或 EMI 濾波器，就不滿足 EMC 標準的濾波效果。減小差模式傳達室導騷擾的方法是在電源線上串聯(lián)差模扼流圈、在地與導線之間并聯(lián)電容器、組成 LC 濾波器進行濾波，濾去共模傳達室導噪聲。共模扼流圈是將電源線的零線和火線同方向在鐵氧體磁芯上構成的，它對線間流動的電源電流阻抗很小，而對兩面三刀根線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。

　　對開關電源來說，輸入電源端是電磁騷擾從交流電源端是電磁騷擾從交流電網傳入內部和內部騷擾反向注入電網的主要途徑。為此必須在電源入口處安裝一個低通濾波器，這個濾波器只容許設備的工作頻率（50HZ、60HZ、400HZ）通過，而對較高頻率的騷擾有很大的損耗，由于這個濾波器專門用于設備電源，所以稱為電源濾波器。電源濾波器對差模騷擾和共模騷擾都抑制作用，但由于電路結構不同，對差模騷擾和共模騷擾的抑制效果不一樣。所以濾波器的技術指標中有差模插入損耗和共模插入損耗之分。

　　對交流供電的開關電源來說，如果沒有輸入電源濾波電路，要通過電磁容測試是很難想象的，典型的交泫電源濾波網絡見圖 4 所示。共模式扼流圈 LC1 由兩個在同一個高磁導率磁芯上的組成，它們的結構使差模電流產生的磁場相互抵消。這種結構可以以較小體積得較大的電感值，通常 1——10MHZ 并且不用擔心由于工作電流導至飽和。每個組的電感可以減相對與地的共模干擾電流，但只有漏電感才能衰減差模干擾電流。因此，濾波器差模特性在很大程度上受線索圈的結構的影響，因為線圈電感能夠提供較大的差模衰減，但付出的代價是磁芯的飽和電流降低。

　　共模電容器 CY1 和 CY2 衰減共模干擾，當 CX3 很大時，這兩個電容器對差模沒有太大的影響。CY 電容器的有效性在很大程度上由設備的共模源阻抗決定。共模源阻抗一般是耦合到地的寄生電容的數，它由電路的結構方式和電源變壓器初級——次級電容等決定，一般會超過 1000PF。由 CY 的分流作用提供的共模減一般不會超過 15——20dB。共模扼流圈組合（如圖 4 中的 Lc2、Cx2）。

　　差模電容器 CX1 和 CX2（3）只衰減差模干擾電流，它們的電容值可以較大，通常為 0.1—0.47UF。注意源和負載的阻抗可能很低，以致于電容器起不到作用，

　　因此根據具體情況，可以省略一只電容器。例如，一只 0.1UF10ohm，而對于一個數百的電源，從 CX3 的電容值幾乎沒有效果，這時 CX3 右取消。

　　在許多場合，典型結構的濾波器不能提供滿意的衰減效果。例如，必須滿足最嚴格發(fā)射限制的大功率開關電源，或有較大的共模干擾耦合的場合，或需要較高的輸入瞬態(tài)抗抗度的場合?；緸V波器可以通過一些途徑來擴展。附加的差模扼流圈 Ld1、Ld2，這是在 L 和 N 線上立的線圈，它們互相沒有影響，因此對差模信號呈現更高的陰阻抗，它們與 CX 配合在一起提供更大的衰減。由于它們要保證在滿額工作電流的情況下發(fā)生飽和，困此對于一定的電感量，它們更重，體積更大。

　　地線扼流圈：這增加了安全地上共模電流的阻抗當 CY 不能更大，而對電源的干擾又沒有其它措施時，這是唯一的一種減小輸入、輸出共模干擾的措施。因為它的危險電流承受能力必須滿足安全標準的要求。使用時要確認沒有其它聯(lián)到設備機箱上的導線將其短路。

　　瞬態(tài)抑制器：象壓敏電阻這樣一些器件跨接在 L 和 N 線之間能夠削減輸入的差模浪涌。如果它安裝在靠近電源的一端，則它必須能夠承受期的最大瞬態(tài)能量，安裝在這里能夠保護電感不至于飽和和保護 CX 電容器。如果安裝在設備一端，則其額定值可以大大降低，因為它已經受到了濾波器阻抗的保護。這里的壓敏電阻共模浪涌沒有抑制作用。

　　大容量的 CX 應用一只泄放電阻 R 來保護，防止電源斷開時 L 和 N 線之間保持的充電電荷造成人身傷害。在開關電源的直流輸出端加入圖 5 所示的直流輸出濾波網絡。它由共模扼流圈 Lc1、差模扼流圈 Ld1 和差模電容 CX1、CX2 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差模扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒流磁芯。

　　減小分布電容的耦合

　　為了防止開關管集電極和開關管散熱片之間的耦合電容 Ci 將開關管集電極上的脈沖騷擾耦合到機殼和保護地 PE 上形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導共模騷擾。我們應該減少開關管集電極和散熱片之間的耦合電容 Ci 選用低介電常數的材料作絕緣墊，加厚墊片的厚度，并采用靜電屏的方法：一般開關管的外殼是集電極，在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物，既絕緣物中間夾一層銅箔，作為靜電屏層，接在輸入直流 0V 地（熱地）上，散熱片仍在機殼地上，這樣就大大減少集電極與散熱片之間的電場耦合。

　　對脈沖變壓器的初級與次級之間的耦合電容 Cd，也可以用同樣的方式通過加靜電屏層并就近在開關管的為射極接直流輸入的 0V 地（熱地）。該方式只能少cd 的耦合，仍然會有部分騷擾沖變壓器的初級耦合到次級形成共模騷擾，這時可通過在直流輸入的 0V 地（熱地）端的共模騷擾一個回路，重新回到直流輸入的 0V 地，從而減小通過 cd 耦合的共模騷擾。在選擇該電容時為保證通過安全測試所的耐壓，一般由兩個 Y 電容串聯(lián)使用。

　　3.屏蔽技術

　　抑制開關電源輻射騷擾的有效方法是屏蔽技術。對電場屏用導電良好的材料 。為了防止沖變壓器的磁場 泄露，可利用閉環(huán)形成磁屏，對整個開關電源要進行電場屏。在屏的應考慮散熱和通風問題，屏外殼上的通風孔最好為多孔圓形，在滿足我的條件下，孔的數量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性，如果采用螺釘固定，注意螺絲間距要短，屏外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則這些線都會成為良好的騷擾發(fā)射天線，嚴重降低屏處殼的屏效果，對無法進行完全屏的開關電源，至少在其關鍵部位要有局部屏。電場屏如果屏外殼不接地。對非嵌入的外置式開關電源的外殼進行電場屏非常重要，否則很難通過輻射騷擾測試。對嵌入式的內置開關電源是否采用外殼屏則視其系統(tǒng)的屏效能及系統(tǒng)中其他部分對電源騷擾的敏感程度而定。

　　4. 電路布線

　　元件及電路的選擇對于控制 EMI 至關重要，但電路板的布局和互連也具有同等重要的影響。尤其是對于高密度、采用多層電路板的開關電源，元件的布局和走線上產生很大 dv/dt 和 di/dt 的信號，它可以耦合到其它連線上造成兼容問題。

　　不過，只要在關鍵回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性部題以及花費很大代價去對線路板進行修改。對于 一個系統(tǒng)來講，輻射型和傳導型電磁干擾相容易區(qū)分，但具體到某塊電路板或某導線。問題就變得復雜了。相鄰連線之間會有電場的耦合，同時也會通過分布電容傳導電流、同樣地，連線之間也會象變壓器一樣。