開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)方法解析

開關(guān)電源因體積小、功率因數(shù)較大等優(yōu)點(diǎn)，在通信、控制、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但由于會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，其進(jìn)一步的應(yīng)用受到一定程度上的限制。本文將分析開關(guān)電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機(jī)理，并在其基礎(chǔ)之上，提出開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)方法。

開關(guān)電源的電磁干擾分析

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)及布局不合理、機(jī)械振動(dòng)、接地不良等都會(huì)形成內(nèi)部電磁干擾。同時(shí)，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，也是潛在的強(qiáng)干擾源。

圖1 AC/DC開關(guān)電源基本框圖

1 內(nèi)部干擾源

● 開關(guān)電路

開關(guān)電路主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。開關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)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(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢(shì)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(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)干擾。

● 整流電路的整流二極管

輸出整流二極管截止時(shí)有一個(gè)反向電流，其恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。它會(huì)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(qiáng)的高頻干擾，頻率可達(dá)幾十兆赫茲。

● 雜散參數(shù)

由于工作在較高頻率，開關(guān)電源中的低頻元器件特性會(huì)發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。在高頻時(shí)，雜散參數(shù)對(duì)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?。同時(shí)，由于交流電網(wǎng)直接連到整流橋和濾波電路上，在半個(gè)周期內(nèi)，只有輸入電壓的峰值時(shí)間才有輸入電流，導(dǎo)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(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。

開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)

產(chǎn)生電磁干擾有3個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感設(shè)備，EMC設(shè)計(jì)的目的就是破壞這3個(gè)條件中的一個(gè)。針對(duì)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(shè)計(jì)等。

1 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲的軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)是在硬開關(guān)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種基于諧振技術(shù)或利用控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的在零電壓/電流狀態(tài)下的先進(jìn)開關(guān)技術(shù)。

軟開關(guān)的實(shí)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(guān)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(guān)技術(shù)的基本開關(guān)單元。

圖2 降壓斬波器中的基本開關(guān)單元

2 減小干擾源干擾能量的緩沖電路

在開關(guān)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(luò)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。

圖3 緩沖電路

3 切斷干擾噪聲傳播路徑的EMI濾波

在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器，是抑制傳導(dǎo)發(fā)射的一個(gè)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在考慮機(jī)械性能、環(huán)境、成本等前提下，應(yīng)該盡量使插入損耗大一些。用共模、差模干擾的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值，加上適當(dāng)?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(dǎo)干擾的測試過程中測試結(jié)果比實(shí)際值大3dB；M（dB）表示設(shè)計(jì)裕量，一般取6dB；Vlimit（dB）為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如CISPR，F(xiàn)CC等規(guī)定的傳導(dǎo)干擾限值。

圖4是220V/50Hz交流輸入的開關(guān)電源交流側(cè)EMI濾波器的電路。Cy＝3300pF，L1、L2＝0.7mH，它們構(gòu)成共模濾波電路，抑制0.5～30MHz的共模干擾信號(hào)。Cx＝0.1μF，L3、L4＝200～500μH，采用金屬粉壓磁芯，與L1/L2、Cx構(gòu)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(hào)。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。

圖4 開關(guān)電源交流側(cè)EMI濾波器電路

圖5是開關(guān)電源的直流輸出側(cè)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(qiáng)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(qiáng)度大的恒μ磁芯。

圖5 支流側(cè)濾波電路

4 用屏蔽來抑制輻射及感應(yīng)干擾

開關(guān)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(zhì)的電磁場，且屬低阻抗場?？捎脤?dǎo)電良好的材料對(duì)電場屏蔽，而用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場屏蔽。此外，還要對(duì)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(fēng)孔最好為圓形，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個(gè)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(duì)于電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地。對(duì)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(shè)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(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 PCB抗干擾布局設(shè)計(jì)流程