3、電磁兼容設(shè)計 - 探討高頻開關(guān)電源設(shè)計中的電磁兼容問題

　　3、電磁兼容設(shè)計

　　3.1、輸入端濾波器的設(shè)計

　　開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲包含共模噪音和差模噪音。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。為此應(yīng)在電源輸入端加濾波器，濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示。

　　圖3、電源濾波器

　　圖中：差模抑制電容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

　　差模抑制電感L1，L2100～130μH；

　　共模抑制電容Cy1，Cy2<10000pF；

　　共模抑制電感L15～25mH。

　　插入損耗的定義如圖4所示，當(dāng)沒接濾波器時，信號源輸出電壓為V1，當(dāng)濾波器接入后，在濾波器輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機(jī)輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為

　　IL=20log（2）

　　設(shè)計時，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即f=<10kHz。

　　圖4、插入損耗的定義

　　圖5是差模與共模干擾的示意圖。

　?。╝）差模干擾 （b）共模干擾

　　圖5、差模與共模干擾示意圖

　　在實際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，所以，濾波電路可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI試驗后才能有滿意的結(jié)果，安裝濾波電路時一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。

　　圖6是兩種濾波電路，它們的濾波效果如圖7實驗曲線所示。

　　（a）濾波電路1

　?。╞）濾波電路2

　　圖6、兩種濾波電路

　?、贋榧訛V波器電路1②為加濾波電路2

　　圖7、兩種濾波電路效果實驗曲線

　　3.2、輻射EMI的抑制措施

　　要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路，如在開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。

　　功率開關(guān)管的集電極是一個強(qiáng)騷擾源，開關(guān)管的散熱片應(yīng)接到集電極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機(jī)殼之間的分布電容，散熱片應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的散熱片。整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小，且反向恢復(fù)時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復(fù)呈軟特性的。另外，在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。

　　負(fù)載電流越大，二極管反向恢復(fù)的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個二極管并聯(lián)來分擔(dān)，可以降低短路尖峰電流的影響。

　　開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，一般用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

　　例如，對輻射干擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值20dB的某開關(guān)電源，采用了如下一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施進(jìn)行了改進(jìn)：

　　1）在所有整流二極管兩端并聯(lián)470pF電容；

　　2）在開關(guān)管G極的輸入端并聯(lián)50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

　　3）在各輸出濾波電容（電解電容）上并聯(lián)0.01μF電容；

　　4）在整流二極管管腳上套一小磁珠；

　　5）改善屏蔽體的接地。

　　經(jīng)過上述改進(jìn)后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

　　3.3、傳導(dǎo)騷擾的解決方法

　　開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾通過輸入電源線向外傳播，既有差模騷擾、又有共模騷擾。傳導(dǎo)騷擾的測試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如表1所列。

　　表1傳導(dǎo)騷擾限值表
??????

　　在 0.15～1MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以共模的形式存在，在1～10MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz以上，騷擾的形式主要以共膜為主。差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管開通時，流過電源線的電流線性上升，開關(guān)管關(guān)斷時電流突變?yōu)榱悖虼?，流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，輸出回路的濾波電路如圖8所示，電容C5與電感L3組成低通濾波器，差模傳導(dǎo)騷擾主要存在低頻率段。

　　圖8輸出回路的濾波電路

　　產(chǎn)生共模騷擾的主要原因是電源與大地（保護(hù)地）之間存在分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。如圖8所示，L、N為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2組成輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，VT2為開關(guān)管，開關(guān)管安裝在散熱器上時，開關(guān)管的D極與散熱器相連，與散熱器之間形成一個耦合電容，如圖8中的C7所示，VT2工作在開關(guān)狀態(tài)，其D極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開關(guān)管的開關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從圖8來看，VT2的 D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，從DB1到電感L3之間的電壓為100Hz，而從L3到VD1和VT2的D極之間的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次L3的影響也比較大，但L3與機(jī)殼的距離比較遠(yuǎn)，分布電容比開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。