開關電源的電磁兼容性設計

0 引言
電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。早年的線性穩(wěn)壓電源因其優(yōu)良的穩(wěn)壓性能、非常小的輸出紋波電壓等優(yōu)點而獲得了廣泛的應用。但是其必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進行隔離，并且調(diào)整管功率損耗大，致使電源體積和重量大，效率低下。開關電源采用更高開關頻率的功率管替代工頻變壓器，并且采用軟開關、功率因數(shù)補償?shù)燃夹g使得其體積小，重量輕，效率更高，在中、小功率的市場已經(jīng)代替了線性穩(wěn)壓電源的地位。但是，干擾問題卻隨之而來。由于開關電源的工作頻率比較高(幾十到幾百kHz)，開關電源本身又是一個很強的功率源，因此，開關電源對電網(wǎng)會造成污染。開關電源向周圍空間的輻射騷擾、開關電源對同一電網(wǎng)中其他用電設備的高頻傳導干擾等電磁兼容方面的問題成了阻礙開關電源進一步推廣發(fā)展的絆腳石。
20世紀90年代中期以來，世界各國從保護環(huán)境和保護人的身體健康出發(fā)，先后發(fā)展了強制性產(chǎn)品認證，電子和電氣產(chǎn)品的電磁兼容性問題受到了制造商和消費者的高度重視，產(chǎn)品的電磁兼容性也成了產(chǎn)品進入世界市場大門的通行證，而開關電源的電磁兼容性更是首當其沖。因此，只有在電源設計的過程中，嚴格地進行電磁兼容性設計才能保證生產(chǎn)出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，使產(chǎn)品能夠在世界各國市場暢通無阻，被消費者接受。
電磁兼容(EMC)是指電子設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。其包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面的內(nèi)容。EMI是指電器產(chǎn)品向外發(fā)出干擾。EMS是指電器產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設備應既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對周圍環(huán)境造成電磁干擾。電磁干擾的三個要素是干擾源、耦合途徑和敏感設備。因此，電磁兼容性設計的任務就可以概括為：削弱干擾源的能量，隔離和減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁騷擾的抵抗能力。
本文以電動沖擊鉆的充電電源電路設計過程為例，討論開關電源的電磁干擾源和電磁兼容性設計內(nèi)容。

1 開關電源的電磁干擾源
本電源采用美國Power Integrate(PI)公司TOPSwitch GX246Y集成電源模塊。該模塊將高電壓功率MOSFET、脈寬調(diào)制控制、故障保護以及其他的控制電路集成在單片CMOS芯片上，屬于低成本、高靈活性的智能功率開關，具有如下突出特點：
(1)外部可編程精確限流；
(2)更寬的占空比使得輸出功率更大，輸入電容減??；
(3)具有欠壓、過壓保護功能；
(4)輸入電壓前饋技術縮小了最大占空比Dmax，抑制了脈動紋波，并在輸入線電壓較高時限制Dmax；
(5)頻率抖動功能減少了電磁干擾以及相應的濾波器損耗；
(6)l32 kHz的開關頻率減少了變壓器的尺寸，從而減小了電源的尺寸；
(7)空載時可降低工作頻率，使輸出電路無需加假負載，降低了能量損耗。
利用PI公司提供的PI Expert軟件做成的電源模塊結構圖如圖1所示。

該電路首先將工頻電流整流成為直流，再通過高頻變壓器把原邊的電壓耦合到副邊，輸出+18V/3A的電壓和電流。TOPSwitch GX246Y根據(jù)反饋回路信息控制開關的開合，調(diào)整占空比，使電源獲得穩(wěn)定可靠的輸出。
此電路產(chǎn)生電磁干擾的最基本原因是其在工作的過程中產(chǎn)生了非常高的di/dt和du/dt。所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了強烈干擾源。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電，開關管高頻通斷，輸出整流二極管的反向恢復都是屬于這種類型干擾。另外，開關管的驅動波形，MOSFET漏源波形等開關電源中的電壓、電流波形都是接近矩形波形狀的周期波，因此，其頻率都是MHz級別的，這些高頻信號對開關電源的基本信號，特別是控制電路的信號造成干擾。
1.1 輸入整流電路的電磁干擾
在輸入電路中，整流橋4個整流管(圖1中的EMI＆Rectify部分)只有在脈動電壓超過輸入濾波電容上的電壓時才能導通，電流才從市電電源輸入，并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時電壓，整流管便截止。所以，輸入電路的電流是脈沖性質(zhì)的，并且有著豐富的高次諧波電流。這是因為整流電路的非線性特性，整流橋交流側的電流嚴重失真。
忽略換流過程和電流脈動的影響，整流電路交流側輸入電流in的第n次諧波電流的幅值Inm可表示為Inm=Ilm，式中：n=2kl(k=l，2，3…)；Ilm為基波電流幅值，于是交流側電流in可表示為

而直流側的諧波次數(shù)是n倍。所以，整流電路直流側高次諧波電流不僅使電路產(chǎn)生畸變功率，增加電路的無功功率，而且高頻諧波會沿著傳輸線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，危害電網(wǎng)安全。
1.2 開關電路
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(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)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?shù)蕉尉€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震蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。如果尖峰有足夠高的幅度，那么很有可能把TOPwitch GX246Y內(nèi)的開關管擊穿。
1.3 高頻變壓器初次級之間分布電容引起的共模傳導騷擾
高頻變壓器是開關電源中實現(xiàn)能量儲存、隔離、輸出、電壓變換的重要部件，可惜的是它的漏感和分布電容對電路的電磁兼容性性能帶來不可忽略的影響。漏感的影響在開關電路的電磁干擾問題上已經(jīng)討論。共模干擾是一種相對大地的干擾，所以不會通過變壓器“電生磁和磁生電”的機理來傳遞，而必須通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。而在開關電源的高頻變壓器初次級之間存在著分布電容是個不爭的事實。用一個裝置電容(裝置對地的分布電容)來與整個開關電源等效，就得到了如圖2所示的干擾通道。

共模干擾通過變壓器的耦合電容，經(jīng)過裝置電容再返回大地，就得到一個由變壓器耦合電容與裝置電容構成的分壓器。共模電壓就按照分壓器中電容量的大小來分壓，分到的電壓為

式中：Z為繞組間的耦合阻抗；
Z2為負載對地的等效阻抗；
e1為初級干擾(共模電壓)；
e2為次級干擾(共模電壓)。
脈沖變壓器初級線圈，開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。
1.4 副邊整流電路輸出
開關電源工作時，副邊整流電路的高速恢復二極管也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線圈、整流二極管和濾波電容也構成了高頻開關電流的環(huán)路。因此，同樣有可能對空間形成電磁輻射。
當二極管正向導通時，在P區(qū)和N區(qū)分別有少數(shù)載流子電子和空穴導電，當突然加反向電壓時，儲存電荷在反向電場作用下被復合，形成反向恢復電流，盡管電流非常小，但是這個轉變過程非常短暫，因此，di/dt相當可觀，就會在副邊整流電路中形成高頻衰減振蕩。它會對外界形成差模輻射，甚至導致整流二極管被擊穿。

2 電磁兼容性設計
開關電源存在著共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式，根據(jù)前面分析的電磁干擾源，結合它們的耦合途徑，可以從EMI濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個方面來抑制干擾，把電磁干擾衰減到允許限度之內(nèi)。
2.1 采用交流輸入EMT濾波器
采用適當?shù)腅MI濾波器，可以很有效地抑制交流電源輸入端的低頻段差模騷擾和高頻段共模騷擾。在EMI濾波器(如圖3所示)中，差模電容Cx用來短路差模噪聲電流，而中間連線接地的共模電容Cy則用來短路共模噪聲電流。共模扼流圈L(電感)是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。當負載電流流過共模扼流圈時，串聯(lián)在火線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此，即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產(chǎn)生的磁場是同方向的，會呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。

2.2 利用吸收及箝位電路
開關管或二極管在開通和關斷過程中，管中產(chǎn)生的反向尖峰電流和尖峰電壓，可以通過緩沖和鉗位的方法予以克服。緩沖吸收電路可以減少尖鋒電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，這對于半導體器件使用的安全性非常有好處。與此同時，緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量。箝位電路主要用來防止半導體器件和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路保護作用和開關電源的效率要求，TVS管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1.5倍。根據(jù)TopSwitch的使用指導，選擇RCD和TVS結合的方式來抑制電磁干擾，如圖4所示。

當TVS上的電壓超過一定幅度時，器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，并將浪涌電壓的幅值限制在一定的幅度。在開關管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯(lián)帶可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷(Co)，當通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時，它將產(chǎn)生很大的反電勢，這樣就能有效地抑制二極管D2的反向浪涌電流。
2.3 屏蔽措施及變壓器的繞制
在設計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感越大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅值愈高，漏極箝位電路的損耗就越大，這必然導致電源效率降低。減小漏感可以采取以下措施：
(1)減少原邊繞組的匝數(shù)；
(2)增大繞組的寬度；
(3)增加繞組的高、寬比；
(4)減小各繞組之問的絕緣層；
(5)增加繞組之間的耦合程度。
屏蔽是抑制開關電源輻射騷擾的有效方法，而隔離變壓器是共模噪聲的另一個主要來源。如圖5所示，變壓器主要的寄生參數(shù)為：漏感LK，繞組間電容CR，交叉耦合電容CTc變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個系統(tǒng)提供了通路。

在變壓器的繞制過程中采用法拉第屏蔽(Faraday shield)來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡單來說就是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間，形成一個靜電屏蔽層隔離區(qū)，并接地，其中原邊繞組和副邊繞組如圖6所示交錯繞制，以減小交叉耦合電容。
圖6中N1A、N1B是原邊繞組，分兩次繞；N2A、N2B是副邊繞組；N3、N4分別是輔助繞組；SCREEN為銅箔屏蔽。安規(guī)上一般要求散熱器接地，那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路，可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。

2.4 接地技術
開關電源同樣也需要重視地線的連接，地線承擔著參考電平的重任，特別是控制電路的參考地，如電流檢測電阻的地電平和無隔離輸出的分壓電阻的地電平?？刂菩盘柕牡仉娖秸`差應盡可能的小，因此，采用控制部分一點接地，然后將公共連接點再單點接至功率地。這種接地方式可以使噪聲源和敏感電路分離。另外，地線盡量鋪寬，對空白區(qū)域可敷銅填滿，力求盡量降低地電平誤差和EMI。
另外，在裝置中盡量采用表面貼裝元器件，使組裝密度更高，體積更小，重量更輕，可靠性更高，高頻特性好，減小電磁和射頻干擾。
2.5 PCB元件布局及走線
開關電源的印制電路板設計也是解決開關電源電磁兼容性問題的一個至關重要的方面。在設計中采用了以下措施保證電磁兼容性。
(1)把交流的輸入濾波部分，高壓整流和濾波部分，高頻逆變部分，低壓整流輸出部分從左到右依次排列布局，使信號方向保持一致，便于生產(chǎn)中檢修、調(diào)試，并且可以減少信號的環(huán)路，使印制電路板的平面與磁力線相平行，這樣交變磁場就不會切割印制電路板平面內(nèi)的導線，減少電磁干擾。并且把控制電路和功率電路分開，中間采用鋁板隔離，防止干擾信號騷擾控制電路。
(2)盡可能地縮小高頻大電流電路所包圍的面積，縮短高電壓元器件的連線，設法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾，特別是易受干擾的元器件不能彼此靠得很近。
(3)縮小控制電路所包圍的面積。因為，這部分電路是開關電源中最敏感的部分?？s小其面積，實際上就是減小了干擾“接收天線”的尺寸，有利于降低對外部干擾的響應能力，提高開關電源的電磁兼容性。
(4)有脈沖電路流過的區(qū)域遠離輸出端子，使噪聲源于直流輸出部分分離；交流輸入部分盡量遠離輸出部分，以避免由于相互間靠得太近，通過線路間的耦合，將原本“干凈”的輸出由于受到輸入部分的電磁騷擾發(fā)射而受“污染”。
(5)TOPSwitch GX246Y的漏極連接到變壓器和箝位二極管的連接線盡量簡短，因為連接線上有很高的開關電壓，會引起附加的共模電磁干擾的發(fā)射。

3 試驗結果
經(jīng)過以上電磁兼容性設計，開關電源的輸出電壓調(diào)整率△V0/V0=O.12/12=l％，達到了預期設計要求。圖7是紋波電壓輸出圖，圖8是其工作時的噪音分析圖。

4 結語
如今，開關電源體積越來越小，功率密度越來越大，EMl/EMC問題成為了開關電源穩(wěn)定性的一個關鍵因素，也是最容易忽視的一個方面。實踐證明，EMI問題越早考慮，越早解決，費用越小，效果越好。隨著各國電磁兼容性標準的加強，電磁兼容性設計在開關電源設計過程中的位置也愈加重要，因此，必須充分重視電磁兼容性設計的作用和重要性。