開關電源中的EMC技術應用

1電磁干擾的產生與傳輸

　　電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導傳輸方式，另一種則是輻射傳輸方式。傳導傳輸是在干擾源和敏感設備之間有完整的電路連接，干擾信號沿著連接電路傳遞到接收器而發(fā)生電磁干擾現象。

　　輻射傳輸是干擾信號通過介質以電磁波的形式向外傳播的干擾形式。常見的輻射耦合有三種：1）一個天線發(fā)射的電磁波被另一個天線意外地接收，稱為天線對天線的耦合；2）空間電磁場經導線感應而耦合，稱為場對線的耦合。3）兩根平等導線之間的高頻信號相互感應而形成的耦合，稱為線對線的感應耦合。

　　2電磁干擾的產生機理

　　從被干擾的敏感設備角度來說，干擾耦合又可分為傳導耦合和輻射耦合兩類。

　　● 傳導耦合模型

　　傳導耦合按其原理可分為電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合三種基本耦合方式。

　　● 輻射耦合模型

　　輻射耦合是干擾耦合的另一種方式，除了從干擾源發(fā)出的有意輻射外，還有大量的無意輻射。同時，PCB板上的走線無論是電源線、信號線、時鐘線、數據線或者控制線等，都能起到天線的效果，即可輻射出干擾波，又可起到接收作用。

　　3 電磁干擾控制技術

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　　● 濾波：在設計和選用濾波器時應注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝正確與否對其插入損耗特性影響很大，只有安裝位置恰當，安裝方法正確，才能對干擾起到預期的濾波作用。在安裝濾波器時應考慮安裝位置，輸入輸出側的配線必須屏蔽隔離，以及高頻接地和搭接方法。

　　● 屏蔽：電磁屏蔽按原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽；磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對屏蔽體的要求不同。在實際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于屏蔽體的結構，即導電的連續(xù)性。實際的屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱、觀察及接口連接要求，其上面一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，這些孔縫對于屏蔽體的屏蔽效能起著重要的影響作用，因此必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。

　　● 接地：接地有安全接地和信號接地兩種。同時，接地也會引入接地阻抗及地回路干擾。接地技術包括接地點的選擇、電路組合、接地的設計和抑制接地干擾措施的合理應用等。

　　● 搭接：搭接是指導體間低阻抗連接，只有良好的搭接才能使電路完成其設計功能，使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用。搭接方法可分為永久性搭接和半永久性搭接兩種，而搭接類型分為直接搭接和間接搭接。

　　● 布線：布線是印刷電路板電磁兼容性設計的關鍵，應選擇合理的導線寬度，采取正確的布線策略，如加粗地線，將地線閉合成環(huán)路，減少導線不連續(xù)性，采用多層板等。

　?、诳臻g分離

　　空間分離是抑制空間輻射騷擾和感應耦合騷擾的有效方法，通過加大騷擾源和接受器敏感設備之間的空間距離，使騷擾電磁場到達敏感設備時的強度已衰減到低于接受設備敏感度門限，從而達到抑制電磁干擾的目的。由電磁場理論可知，場強在近區(qū)感應場中以1/r3的方式衰減，遠區(qū)輻射場的場強分布按1/r方式減小。因此，為了滿足系統的電磁兼容性要求，盡量將組成系統的各個設備間的空間距離增大。在設備、系統布線中，限制平行線纜的最小間距，以減少串擾。在PCB設計中，規(guī)定引線條間的最小間隔。另外，空間分離也包括在空間有限的情況下，對騷擾源輻射方向的方位調整、騷擾源電場矢量與磁場矢量的空間取向的控制。

　?、蹠r間分離

　　當騷擾源非常強，不易采用其他方法可靠抑制時，通常采用時間分隔的方法，使有用信號在騷擾信號停止發(fā)射的時間內傳輸，或者當強騷擾信號發(fā)射時，使易受騷擾的敏感設備短時關閉，以避免遭受損害。時間分隔控制有兩種形式，一種是主動時間分隔，適用于有用信號出現時間與干擾信號出現時間有確定先后關系的情況；另一種是被動時間分隔，按照干擾信號與有用信號出現的特征使其中某一信號迅速關閉，從而達到時間上不重合、不覆蓋的控制要求。

　?、茴l譜管理

　　頻譜的規(guī)劃劃分是把各頻段劃分給各種無線電業(yè)務，為特定用戶制定頻段。制定國家標準規(guī)范是防止干擾以及在某些情況下確保通信系統達到所需通信性能的基礎。這包括無線電設備的核準程序，無線電發(fā)射機、接收機和其他設備型號核準所要求的最低性能標準文件。

　?、蓦姎飧綦x

　　電氣隔離是避免電路中傳導干擾的可靠方法，同時還能使有用信號正常耦合傳輸。常見的電氣隔離耦合形式有機械耦合、電磁耦合、光電耦合等。DC/DC變換器是一種應用廣泛的電器隔離器件，它將一種直流電壓變換成另一種直流電壓，為了防止多個設備共用一個電源引起共電源內阻干擾，應用DC/DC變換器單獨對各路供電，以保證電路不受電源中的信號干擾。

　　開關電源中的EMC技術應用

　　1 開關電源產生干擾的原因

　　開關電源首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓，因此自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現在開關管、二極管、高頻變壓器等上。

　?、匍_關電路產生的電磁干擾

　　開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是：開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導型電磁干擾，既影響變壓器初級，還會使傳導干擾返回配電系統，造成電網諧波電磁干擾，從而影響其他設備的安全和經濟運行。

　?、谡麟娐樊a生的電磁干擾

　　整流電路中，在輸出整流二極管截止時有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中，能將反向電流迅速恢復到零的二極管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/dt）。

　　③高頻變壓器

　　高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。需要注意的是，在二極管整流電路產生的電磁干擾中，整流二極管反向恢復電流的di/dt遠比續(xù)流二極管反向恢復電流的di/dt大得多。作為電磁干擾源來研究，整流二極管反向恢復電流形成的干擾強度大、頻帶寬。但是，整流二極管產生的電壓跳變遠小于功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此，也可不計整流二極管產生的│dv/dt│影響，把整流電路當成電磁干擾耦合通道的一部分來研究。

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　　開關電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。一方面，散熱片與開關管集電極間的絕緣片接觸面積較大，且絕緣片較薄，因此兩者間的分布電容在高頻時不能忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上，再流到機殼地，產生共模干擾；另一方面，脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容，可將原邊電壓直接耦合到副邊上，在副邊作直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。

　?、蓦s散參數影響耦合通道的特性

　　在傳導干擾頻段（《30MHz），多數開關電源干擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是，開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻、電容、電感乃至開關管、二極管都包含有雜散參數，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高。因此，包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時，雜散參數對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導的共模干擾。