探讨高频开关电源设计中的电磁兼容问题

　　引言

　　开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合EMC标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。

　　1、开关电源的组成及工作原理

　　1.1、组成

　　开关电源的组成框图如图1所示，它由以下几个部分组成：

　　1）主电路包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波；

　　2）控制与保护电路；

　　3）检测与显示电路除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据；

　　4）辅助电源。

　　图1、开关电源的组成框图

　　1.2、开关稳压电源原理

　　开关稳压电源电路如图2所示。图2中的开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在K接通时，输入电源Vin通过K和滤波电路供电给负载RL，当K断开时，输入电源Vin便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图2中，由储能电感L、滤波电容C2和续流二极管D组成的电路，就具有这种功能。在AB间的电压平均值VAB可用式（1）表示。

　　VAB=Vinton/T=DVin（1）

　　式中：ton为K导通时间；

　　T为K工作周期；

　　D为占空比，D=ton/T。

　　图2、开关稳压电源电路原理图

　　由式（1）可知，改变D，即可改变VAB。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D便能使输出电压Vo维持不变。这种控制方法称为时间比率控制（Time Ratio Control，缩写为TRC）。按TRC原理，它有3种方式：

　　1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式；

　　2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式；

　　3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的结合。

　　2、开关电源产生电磁干扰的机理

　　开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。

　　2.1、开关管与整流管

　　开关管、整流管高频通断时所产生的dv/dt、di/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很强的骚扰源。

　　2.2、高频变压器

　　开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。

　　另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的|di /dt|大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。

　　2.3、杂散参数影响耦合通道的特性

　　在传导骚扰频段（<30MHz），多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。
　

　　3、电磁兼容设计

　　3.1、输入端滤波器的设计

　　开关电源产生的噪声包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。为此应在电源输入端加滤波器，滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。

　　图3、电源滤波器

　　图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

　　差模抑制电感L1，L2100～130μH；

　　共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；

　　共模抑制电感L15～25mH。

　　插入损耗的定义如图4所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为

　　IL=20log（2）

　　设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即f=<10kHz。

　　图4、插入损耗的定义

　　图5是差模与共模干扰的示意图。

　　（a）差模干扰 （b）共模干扰

　　图5、差模与共模干扰示意图

　　在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，所以，滤波电路可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。

　　图6是两种滤波电路，它们的滤波效果如图7实验曲线所示。

　　（a）滤波电路1

　　（b）滤波电路2

　　图6、两种滤波电路

　　①为加滤波器电路1②为加滤波电路2

　　图7、两种滤波电路效果实验曲线

　　3.2、辐射EMI的抑制措施

　　要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。

　　功率开关管的集电极是一个强骚扰源，开关管的散热片应接到集电极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳之间的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的散热片。整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。另外，在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。

　　负载电流越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个二极管并联来分担，可以降低短路尖峰电流的影响。

　　开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，一般用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。

　　例如，对辐射干扰超过标准限值20dB的某开关电源，采用了如下一些在实验室容易实现的措施进行了改进：

　　1）在所有整流二极管两端并联470pF电容；

　　2）在开关管G极的输入端并联50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；

　　3）在各输出滤波电容（电解电容）上并联0.01μF电容；

　　4）在整流二极管管脚上套一小磁珠；

　　5）改善屏蔽体的接地。

　　经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。

　　3.3、传导骚扰的解决方法

开关电源的传导骚扰通过输入电源线向外传播，既有差模骚扰、又有共模骚扰。传导骚扰的测试频率范围为0.15～30MHz，限值要求如表1