如何抑制開關(guān)電源模塊中的電磁干擾

如何抑制電磁干擾，一直都是開關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)中不可忽視的問題，其不僅關(guān)系到電源模塊本身的可靠性，也關(guān)系到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。全面抑制開關(guān)電源模塊的各種噪聲干擾才會(huì)使開關(guān)電源模塊得到更廣泛的應(yīng)用。

一、電磁干擾的定義

電磁干擾(ElectroMagneticInterference，簡(jiǎn)稱EMI)是指任何在傳導(dǎo)或電磁場(chǎng)伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生會(huì)降低某個(gè)裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，或可能對(duì)生物或物質(zhì)產(chǎn)生不良影響之電磁現(xiàn)象。

二、電磁干擾的產(chǎn)生

騷擾源、敏感設(shè)備與耦合途徑并稱電磁干擾三要素。對(duì)于開關(guān)電源模塊來(lái)說(shuō)，噪聲的產(chǎn)生在于電流或電壓的急劇變化，即di/dt或dv/dt很大，因此高功率和高頻率運(yùn)作的器件都是EMI噪聲的來(lái)源。具體來(lái)說(shuō)，其來(lái)源主要有：

(1)外界耦合的干擾(主要在輸入端和輸出端產(chǎn)生);

(2)開關(guān)管;

(3)變壓器;

(4)二極管;

(5)儲(chǔ)能電感;

(6)PCB板布局和走線不合理從而產(chǎn)生的回路干擾。

三、抑制電磁干擾的對(duì)策

人們總是想方設(shè)法地將電磁干擾三要素之中的一個(gè)去掉：屏蔽掉騷擾源、隔離開敏感設(shè)備或者切斷耦合途徑。從能量的角度來(lái)講，電磁干擾是一種能量，無(wú)法不讓它產(chǎn)生，只有用一定的辦法去減小其對(duì)系統(tǒng)的干擾?？捎玫降姆椒煞譃閮纱箢悾阂环N是讓能量泄放掉;另一種是把能量給擋在外部。可以說(shuō)一種方法是減小其產(chǎn)生的幅度，另一種則切斷其傳播途徑。

下面針對(duì)具體的方面一一分析：

1、外界干擾的耦合(輸入端和輸出端)

(1)輸入端

輸入端是整個(gè)電源的入口處，電源內(nèi)部的噪聲也可由此傳播到外部，對(duì)外界造成干擾。通常采用的策略是在輸入加X電容、Y電容、差模電感和共模電感對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行過濾。圖1就是一種比較常見的EMI濾波電路。

圖1 EMI濾波電路

其中L1、CY1和CY2組成的濾波電路可以抑制電源線上存在的共模干擾信號(hào)。當(dāng)有共模干擾電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模干擾。差模電感L2和X電容，組成的低通濾波可抑制電源線上的差模干擾。

(2)輸出端

對(duì)于輸出，特別是有長(zhǎng)輸出引線的情況，電源模塊跟系統(tǒng)搭配后，電源內(nèi)部一些噪聲干擾就可能由輸出線而耦合到外界，干擾其他用電設(shè)備。對(duì)此，最好的辦法是同對(duì)付輸入端的干擾一樣去加一些共模濾波和差模濾波。此外，還可以在輸出線串套磁珠環(huán);采用雙絞線或是屏蔽線，以達(dá)到抑制EMI干擾的目的。

2、開關(guān)管

在電源模塊的工作過程中，由于開關(guān)管結(jié)電容的存在，開關(guān)管在快速開關(guān)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生毛刺和尖峰，這樣就會(huì)有一些傳遞或發(fā)射出來(lái)。另外開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器的繞組漏感也有可能產(chǎn)生諧振而發(fā)出干擾。

對(duì)此可采用的對(duì)策有：

(1)開關(guān)管D極和G極串加磁珠環(huán)，這樣等于加了一個(gè)小電感，減小開關(guān)管的電流變化率，從而達(dá)到減小尖峰的目的。

(2)在開關(guān)管處加緩沖電路或采用軟開關(guān)技術(shù)，減小開關(guān)管在快速工作時(shí)的尖峰，使其電壓或電流能緩慢上升。

(3)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。

(4)增大開關(guān)管的G極驅(qū)動(dòng)電阻。

3、變壓器

變壓器是電源模塊的儲(chǔ)能組件，在能量的充放過程中，就可能會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾。漏感可以與電路中的分布電容組成振蕩回路，使電路產(chǎn)生高頻振蕩并向外輻射電磁能量，造成電磁干擾。一次繞組與二次繞組之間的電位差也會(huì)產(chǎn)生高頻變化，通過寄生電容的耦合，從而產(chǎn)生了在一次側(cè)與二次側(cè)之間流動(dòng)的共模傳導(dǎo)EMI電流干擾。

對(duì)此可采用的對(duì)策有：

(1)變壓器加屏蔽。

屏蔽可分為電屏蔽與磁屏蔽，電屏蔽主要的作用是將初級(jí)來(lái)的干擾信號(hào)與次級(jí)隔離開來(lái)?？稍诔?、次級(jí)之間包一層銅箔(內(nèi)屏蔽)，但頭尾不能短路，銅箔要接地，這樣在初級(jí)繞組與銅箔之間形成電容，共模傳導(dǎo)干涉信號(hào)通過電容—銅箔—接地形成回路，不能進(jìn)入次級(jí)繞組從而起到電屏蔽的作用。磁屏蔽則在變壓器外部線包包首尾相連的銅箔(外屏蔽)。銅箔是良導(dǎo)體，高頻交變漏磁通穿過銅箔的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向正好與漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被抵消。

(2)采用三明治繞法，可以減少初級(jí)耦合至變壓器磁芯的高頻干擾。由于初級(jí)遠(yuǎn)離磁芯，次級(jí)電壓低，故引起的高頻干擾小。

(3)降低工作頻率，減緩能量的快速充放。

(4)一次側(cè)和二次側(cè)的可靠隔離，一次側(cè)和二次側(cè)之間的地接Y電容。

(5)盡量減小變壓器的漏感，改進(jìn)電路的分布參數(shù)，能在一定程度減小干擾。

4、二極管

二極管在快速截止與導(dǎo)通的過程中會(huì)有尖峰的產(chǎn)生，特別是整流二極管，其在反向恢復(fù)過程中，電路的寄生電感、電容會(huì)發(fā)生高頻振蕩，產(chǎn)生電磁干擾。

對(duì)此可采用的對(duì)策有：

(1)加RC吸收電路，讓二極管的能量能平緩的泄放。

(2)在其陰極管腳套一個(gè)磁珠環(huán)，使其電流不可突變以減小尖峰。

5、儲(chǔ)能電感

(1)類似于變壓器，可對(duì)其加屏蔽。

(2)調(diào)整其參數(shù)，避免與回路的電容產(chǎn)生振蕩。

6、PCB板的布局和走線

準(zhǔn)確的說(shuō)，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對(duì)應(yīng)著對(duì)上述EMI源抑制的好壞。同時(shí)PCB板上器件的布局和布線的不合理都會(huì)造成EMI干擾。

對(duì)此可采用的對(duì)策有：

(1)減少干擾的最有效方法就是減小各個(gè)電流回路的面積(磁場(chǎng)干擾)和帶電導(dǎo)體的面積及長(zhǎng)度(電場(chǎng)干擾)。

(2)電路中的不相同的地線特別是模擬地和數(shù)字地要分開。

(3)PCB的電源線和地線盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

(4)對(duì)于傳輸信號(hào)的線路一定要考慮阻抗匹配。

圖2 兩種PCB布局對(duì)比

我司對(duì)于體積較小的DC-DC電源模塊，通常的做法是通過搭建外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁干擾的抑制，以保證應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。EMC推薦電路如圖2所示，其中①部分用于EMS測(cè)試，②部分用于EMI濾波。

圖3 DC-DC電源模塊EMC推薦電路