开关电源的电磁兼容性设计

摘要：分析了开关电源电磁骚扰的机理，提出相应的抑制措施。讨论了电磁兼容设计中需要加以注意的问题。开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（<30MHz）是比较低的。开关电源系统研究的电磁骚扰现象属于似稳场的范围，研究它们的电磁骚扰问题时，主要考虑的是传导骚扰。
关键词：开关电源；电磁兼容；电磁骚扰；耦合通道；传导骚扰


0 引言
科学技术的快速发展，电气和电子设备或系统的数量及种类不断增加，使得电磁环境日益复杂。在复杂的电磁环境中，各种设备或系统能否正常工作，成为一个急待解决的问题。作为各种设备或系统的重要部分――开关电源，既是骚扰源，同时又是被干扰者。大功率开关电源往往是骚扰源。各种开关电源在工作时，往往要产生一些有用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他设备或系统的正常工作，这就是电磁骚扰。
电磁骚扰有可能使开关电源的工作性能下降，甚至使开关电源的使用寿命缩短，或根本无法正常工作。可见，电磁兼容性设计在开关电源中是非常重要的和不可缺少的。
在开关电源中，电磁兼容性设计的目的是使开关电源在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使开关电源满足有关EMC标准的规定并具有如下两方面的能力：
(1)能在预期的电磁环境中正常工作，不出现性能下降或故障;
(2)对电磁环境无污染。
2　关于电磁兼容的几个重要概念
2.1 电磁环境
电磁环境(Electromagnetic Environment)是指设备或系统在正常工作时，可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在不同频率范围内功率和时间的分布。电磁环境有时也可以


采用场强表示。设电磁环境中有N个电磁骚扰源，在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上，场强值为


式中，Ei(f1): 编号为i的电磁骚扰源在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上的场强值。
2.2 电磁骚扰
电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降，或者对有生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是本身的变化。
电磁骚扰根据其来源，可分为自然骚扰和人为骚扰两大类。自然骚扰以其发生源不可控为特点，例如电子噪声、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等。人为骚扰以其发生源可知并且可控为特点。例如：高频及微波设备、高压设备、开关设备、火花设备、核电磁脉冲等。
2.3 电磁干扰及其产生机理
2.3.1电磁干扰(Electromagnetic Interference, 简写为EMI)是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰是电磁骚扰的后果，引起电磁干扰的可能是另一设备或系统的有用电磁信号，也可能是某种电磁噪声。
2.3.2、 二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于pn结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di／dt)。
2.3.3　开关管工作时产生的谐波干扰
　　功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型，推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
2.3.4　交流输入回路产生的干扰
　　无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。
　　开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
2.3.5 其他原因
　　元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板(pcb)走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，pcb的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成emi干扰。
2.4 电磁兼容性
电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 简写为EMC)是指器件、设备或系统在所处的电磁环境中正常工作，并不对其环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。按上述定义，电磁兼容性包含以下两方面的含义：
(1)设备或系统应具有抵抗给定电磁骚扰的能力。即它应不会受到处于同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁骚扰而产生不允许的工作性能下降。
(2)设备或系统不产生超过规定限度的电磁骚扰。即它不会产生使处于同一电磁环境中的其他设备或系统出现超过规定限度的工作性能降低的电磁骚扰。
3　电磁骚扰传播的一般途径
从干扰源把电磁能量传到干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式。从接收器的角度看，耦合可分为两类：传导耦合和辐射耦合。传导耦合又分为直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合，辐射耦合又分为场(天线)对天线耦合、场对电缆耦合和电缆对电缆的耦合。如图一所示。

图一 电磁骚扰传播途径示意图
在实际情况中，传导耦合和辐射耦合并不是截然不同的，它们可以相互转化。例如在金属传导线中传导的电流很大时，辐射也会很严重。
4　开关电源的电磁兼容性设计
根据电磁骚扰的传播途径，开关电源的电磁兼容性设计包括：完善电路设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设计。
4.1完善电路设计
所选择开关电源电路拓扑不宜产生过高的电压和过大的电流，以避免高电压电场干扰和大电流磁场干扰。在满足要求的情况下，放大器的频带尽量窄，使其不易受干扰。适当增加缓冲电路。
印刷电路板设计时应注意以下几点：
(1)高、中、低速逻辑电路同时应用时，高速应设计在电路板的入口处;
(2)信号入口加RC去耦滤波，消除长线传输干扰;
(3)电路中的电流环路应保持最小;
(4)信号线和回线应尽可能接近;
(5)使用较大的地平面以减小地线阻抗;
(6)电源线和地线应相互接近;
(7)在多层电路板中，应把电源面和地平面分开;
(8)圆弧布线，不突变;
(9)尽量缩短连线;
(10)模拟电路和数字电路分开，功率电路和控制电路分开。
4.2 接地设计
接地是开关电源设备抑制电磁噪声的重要方法。
接地的作用;
(1)提高系统工作的稳定性，若不与大地相接，易受地电容的干扰;
(2)泄放静电感应在机箱上的静电，避免高压放电;
(3)操作安全。
不考虑安全接地，仅从电路参考点的角度考虑，接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。
1)悬浮地
如图二所示。使开关电源中的参考地与机壳隔离，可以避免机壳中的干扰电流直接耦合到电源电路中。当浮地系统靠近高压时，可能堆积静电荷，形成危害，或引起静电放电，形成干扰电流。在雷电环境下，在机箱和单元电路间产生电弧。所以开关电源中不宜采用悬浮地。


图二 悬浮地
2)单点接地
如图三所示。单点接地又分为单点串联接地和单点并联接地。单点串联接地的优点是比较简单，其缺点是各电路会通过接地线，相互影响。在采用这种接地方式时必须注意把最高电平电路放在最靠近接地点的A处，以使B点和C点的电位升高最小。相对单点串联接地，单点并联接地无公共地阻抗干扰，但地线数量多，在高频(MHz以上)时效果差。


(a)单点串联接地


(b)单点并联接地
图三 单点接地
3)多点接地
如图四所示。各接地点就近接地，其优点是：接线简单，引线短，高频驻波现象显著减少。其缺点是：接地阻抗随频率升高而增大。


图四 多点接地
4)混合接地
如图五所示。实际情况比较复杂，很难仅通过一种简单的接地方式来解决，而是常常采用单点接地和多点接地组合成混合接地。


图五 混合接地
4.3 滤波设计
输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道(即低通滤波器)，以抑制或去除电磁骚扰，达到电磁兼容的目的。
滤波是消除干扰经常采用的措施。在设计和选用滤波器时应注意以下几个问题：
(1)明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两种频率分开;
(2)保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作;
(3)滤波器连续通以最大额定电流时，其温升要低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中器件的工作性能;
(4)为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值;
(5)滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，最好选用低引线短电感的穿心电容;
(6)要有较高的工作可靠性，因为作防护电磁干扰用的滤波器，其故障往往比其他元件的故障更难找。
安装滤波器时应注意以下几点：
1)电源线路滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回;
2)滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振;
3)滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理;
4)滤波器的输入和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入―输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。
输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道(即低通滤波器)，以抑制或去除电磁骚扰，达到电磁兼容的目的。
4.3.1滤波电路抑制电磁骚扰
如图5所示，输人滤波器是由电感(LFI、LF2)和CY电容(C4、C5)及Cx电容(C1、C2、C3)组成的低通滤波器电路构成。对频率较高的噪声信号有较大的衰减。C1、C2、C3是滤除共模干扰的电容，C4、C5是滤除差模干扰的电容，LF1、LF2是共模线圈。

4.4 屏蔽设计
屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用，而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象密切相关的。
屏蔽体的设计原则：
(1)首先确定电磁环境，包括电磁场的类型、场的强度、频率及屏蔽体至源的距离等;
(2)确定接收机的敏感度以及对屏蔽体的屏蔽要求;
(3)根据电磁屏蔽的要求及电磁场的性质，适当选择材料的电导率、磁导率和厚度;
(4)在确定屏蔽材料之后，进行屏蔽结构的设计，对于电场屏蔽主要选择高电导率材料(如铜)，对于磁场屏蔽，特别是低频磁场屏蔽;主要选择铁或其他高磁导率材料。若达不到要求，在允许的条件下，可以采用增大厚度的办法;
(5)如果单层屏蔽不能满足屏蔽要求，可用双层以上的屏蔽，以获得更好的屏蔽效果;
(6)当屏蔽室需要透明时，可采用金属网屏蔽，金属网屏蔽的效能显然比不上金属实壁屏蔽体，所以一般采用双层屏蔽;
(7)对于通风孔、探测器的开口屏蔽壳体、电缆进出口接插件等开口处均按特殊要求进行设计。
5　结语
本文简要阐述了电磁兼容性设计对开关电源的重要作用。形成电磁干扰必须具备三个基本要素：(1)电磁骚扰源，(2)耦合途径，(3)敏感设备。为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，采取适当措施。本文正是从这三个基本要素出发，介绍了开关电源的电磁兼容性设计的几种基本方法，以供从事开关电源设计的工程技术人员借鉴。
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