探討高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容問題

　　引言

　　開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等許多優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域。但開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾（EMI）。EMI信號(hào)既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射后會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會(huì)變成一個(gè)騷擾源。目前，電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者越來越關(guān)注的問題。本文就高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題進(jìn)行了探討。

　　1、開關(guān)電源的組成及工作原理

　　1.1、組成

　　開關(guān)電源的組成框圖如圖1所示，它由以下幾個(gè)部分組成：

　　1）主電路包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波；

　　2）控制與保護(hù)電路；

　　3）檢測(cè)與顯示電路除了提供保護(hù)電路所需的各種參數(shù)外，還提供各種顯示數(shù)據(jù)；

　　4）輔助電源。

　　圖1、開關(guān)電源的組成框圖

　　1.2、開關(guān)穩(wěn)壓電源原理

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。圖2中的開關(guān)K以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，在K接通時(shí)，輸入電源Vin通過K和濾波電路供電給負(fù)載RL，當(dāng)K斷開時(shí)，輸入電源Vin便中斷了能量的提供?？梢姡斎腚娫聪蜇?fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開關(guān)接通時(shí)將一部份能量?jī)?chǔ)存起來，在開關(guān)斷開時(shí)，向負(fù)載釋放。圖2中，由儲(chǔ)能電感L、濾波電容C2和續(xù)流二極管D組成的電路，就具有這種功能。在AB間的電壓平均值VAB可用式（1）表示。

　　VAB=Vinton/T=DVin（1）

　　式中：ton為K導(dǎo)通時(shí)間；

　　T為K工作周期；

　　D為占空比，D=ton/T。

　　圖2、開關(guān)穩(wěn)壓電源電路原理圖

　　由式（1）可知，改變D，即可改變VAB。因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化調(diào)整D便能使輸出電壓Vo維持不變。這種控制方法稱為時(shí)間比率控制（Time Ratio Control，縮寫為TRC）。按TRC原理，它有3種方式：

　　1）脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）其開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式；

　　2）脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式；

　　3）混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的結(jié)合。

　　2、開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理

　　開關(guān)電源之所以是一個(gè)很強(qiáng)的電磁騷擾源，來源于高頻通斷的開關(guān)器件和輸出整流二極管，以及脈沖變壓器及濾波電感等。

　　2.1、開關(guān)管與整流管

　　開關(guān)管、整流管高頻通斷時(shí)所產(chǎn)生的dv/dt、di/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是一個(gè)很強(qiáng)的騷擾源。

　　2.2、高頻變壓器

　　開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，而是通過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(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入、輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

　　另外，高頻變壓器初級(jí)線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。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(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。需要注意的是，二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾中，整流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|di /dt|大得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強(qiáng)度大，頻帶寬。但是，整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

　　2.3、雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

　　在傳導(dǎo)騷擾頻段（<30MHz），多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，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(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時(shí)，雜散參數(shù)對(duì)耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時(shí)，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。
　

　　3、電磁兼容設(shè)計(jì)

　　3.1、輸入端濾波器的設(shè)計(jì)

　　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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(duì)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(huì)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(shí)，信號(hào)源輸出電壓為V1，當(dāng)濾波器接入后，在濾波器輸出端測(cè)得信號(hào)源的電壓為V2。若信號(hào)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(jì)時(shí)，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(shí)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(yàn)后才能有滿意的結(jié)果，安裝濾波電路時(shí)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(shí)驗(yàn)曲線所示。

　?。╝）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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)間也越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)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(jí)之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場(chǎng)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(duì)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(shí)驗(yàn)室容易實(shí)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(cè)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(cè)試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如表1