幾種有效開關(guān)電源EMI的抑制方案解析

關(guān)于開關(guān)電源EMI（Electro-Magnetic Interference）的研究，有些從EMI產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，有些從EMI 產(chǎn)生的影響出發(fā)，都提出了許多實(shí)用有價(jià)值的方案。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關(guān)電源EMI 的抑制措施提出新的參考建議。

　　開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

　　開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：

　　1、二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾

　　高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/dt）。

　　2、開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾

　　功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。

　　3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

　　無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。 開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時(shí)，都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

　　4、其他原因

　　元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。

　　開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)

　　作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度。

　　EMI測(cè)試技術(shù)

　　目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。

目前抑制干擾的幾種措施

　　形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

　　采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容，開關(guān)電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾，解決這個(gè)問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連，可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連。

　　在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地，利用一個(gè)導(dǎo)電平面（底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等）作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上。

　　濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。 [!--empirenews.page--]

如何正確選用饋通濾波器

隨著電子設(shè)備工作頻率的迅速提高，電磁干擾的頻率也越來越高，干擾頻率通常會(huì)達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz，甚至GHz以上。由于電壓或電流的頻率越高，越容易產(chǎn)生輻射，因此，正是這些頻率很高的干擾信號(hào)導(dǎo)致了輻射干擾的問題日益嚴(yán)重。因此，對(duì)用來解決輻射干擾的濾波器的一個(gè)基本要求就是要能對(duì)這些高頻干擾信號(hào)有較大的衰減，這種濾波器就是射頻干擾濾波器。普通干擾濾波器的有效濾波頻率范圍為數(shù)kHz數(shù)十MHz，而射頻干擾濾波器的有效濾波頻率范圍從數(shù)kHz到GHz以上。

　　按照傳統(tǒng)方式構(gòu)造的濾波器不能成為射頻濾波器。這是由于兩個(gè)原因：第一個(gè)原因是：圖1中的旁路電容寄生電感較大（導(dǎo)致串聯(lián)諧振，增加了旁路阻抗），導(dǎo)致電容器在較高的頻率并不具有較低的阻抗，起不到旁路的作用。第二個(gè)原因是：濾波器的輸入端和輸出端之間的雜散電容導(dǎo)致高頻干擾信號(hào)耦合，使濾波器對(duì)高頻干擾失去作用。解決這個(gè)問題的方法是用穿心電容作為旁路電容。穿心電容具有非常小的寄生電感，旁路阻抗非常小，并且由于采用隔離安裝方式，消除了輸入輸出端之間的高頻耦合。

　　本樣本中的各種射頻濾波器都是基于穿心電容制造的，并且安裝方式都是饋通形式的（輸入與輸出被金屬板隔離）。

　　雖然本樣本中的射頻濾波器品種很多，但是每一種型號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮了具體使用場(chǎng)合的要求，使設(shè)計(jì)師能夠在性能、體積、成本等方面獲得滿意的結(jié)果。選擇射頻濾波器需要考慮的因素有：

　　截止頻率：濾波器的插入損耗大于3dB的頻率點(diǎn)稱為濾波器的截止頻率，當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí)，濾波器就進(jìn)入了阻帶，在阻帶，干擾信號(hào)會(huì)受到較大的衰減。根據(jù)使用濾波器的場(chǎng)合不同（信號(hào)電纜濾波還是電源線濾波），可以用兩個(gè)方法來確定濾波器的截止頻率。在對(duì)信號(hào)電纜進(jìn)行濾波時(shí)，根據(jù)有效信號(hào)的帶寬來確定，截止頻率要大于信號(hào)的帶寬，這樣才能保證有用信號(hào)不被衰減。在對(duì)電源線或直流信號(hào)線，濾波時(shí)，由于有效信號(hào)的頻率很低，信號(hào)失真的問題不是主要因素，因此主要根據(jù)干擾信號(hào)的頻率來定，要使干擾頻率全部落在濾波器的阻帶內(nèi)。濾波器的截止頻率越低，濾波器的尺寸越大，價(jià)格越高，因此沒有必要時(shí)（干擾的頻率不是很低時(shí)），不要盲目選用截止頻率過低的濾波器。

　　插入損耗：指濾波器在阻帶的損耗數(shù)值（dB），每一種濾波器都有一張插入損耗與頻率對(duì)應(yīng)的表格，選用濾波器時(shí)，根據(jù)干擾信號(hào)的頻率和需要衰減的程度確定對(duì)插入損耗的要求。需要注意的一點(diǎn)是，產(chǎn)品樣本上給出的插入損耗是在50系統(tǒng)中測(cè)量的，實(shí)際使用條件如果不是50，插入損耗會(huì)有差異。

　　額定電壓：濾波器在正常工作時(shí)能夠長時(shí)間承受的電壓，要注意正確選用直流和交流品種，在交流應(yīng)用場(chǎng)合絕對(duì)不能使用直流的品種，否則容易發(fā)生擊穿。由于幾乎所有的電磁兼容試驗(yàn)都有脈沖干擾的項(xiàng)目，因此在選用濾波器時(shí)要考慮這種高壓脈沖干擾的作用，耐壓值需要留有一定的富裕量。

　　額定電流：濾波器在正常工作時(shí)能夠長時(shí)間流過的電流值，額定電流由濾波器的引線直徑?jīng)Q定，線徑越大，額定電流越大。對(duì)于濾波器組件，額定電流還與電感線圈的飽和特性有關(guān)，當(dāng)電流超過額定電流時(shí)，濾波器的性能會(huì)下降。

　　工作溫度范圍：濾波器件能保證預(yù)定性能和正常工作時(shí)所處的環(huán)境溫度，本樣本中的濾波器件除了特別標(biāo)出的以外，工作溫度范圍為有-55-+125C。

　　濾波器的體積：濾波器的體積與濾波器的額定工作電壓、工作電流、截止頻率、插入損耗以及制造工藝有關(guān)。電氣性能基本相同的濾波器，由于不同的制造工藝而導(dǎo)致不同的體積，電氣性能接近時(shí)，體積較大的濾波器價(jià)格較低（適合安裝空間較大的場(chǎng)合）。

　　射頻濾波器的安裝方式對(duì)濾波器的性能有很大影響。首先射頻干擾濾波器必須以金屬板為隔離板，將濾波器的輸入和輸出隔離開。其次，濾波器要與金屬板之間保持低阻抗的接觸，以保證濾波電容的旁路效果。最好將濾波器安裝在鍍錫或鋅的鋁板或鋼板上。為了保證可靠的連接，一般要在濾波器的安裝法蘭與隔離板之間安裝內(nèi)齒墊片，而不能使用導(dǎo)電膠之類的物質(zhì)來達(dá)到可靠連接的目的。需要注意的問題是，不同金屬的接觸面之間會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致接觸阻抗增加。有些設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間使用后，干擾情況變得嚴(yán)重，就是由于濾波器的接地阻抗增加導(dǎo)致的。特別是當(dāng)濾波器的低頻濾波效果降低時(shí)，要考慮這種因素。

　 濾波器類型

　　C 型饋通濾波器

　　是一種避免高頻對(duì)地的噪音干擾的低自感應(yīng)裝置，成本低廉，適合應(yīng)用于高阻抗源和高負(fù)載的場(chǎng)合。

　　L 型濾波器

　　這是款帶有電感元件和電容元件的饋通濾波器，這種濾波器典型用于帶有低阻抗源和高阻抗負(fù)載的電路中，反之亦然。注意：其電感元件應(yīng)當(dāng)面向低阻抗源。

　　Pi 型濾波器

　　Pi型濾波器是由兩個(gè)電容元件和在兩個(gè)電容元件之間的一個(gè)電感元件組成，對(duì)阻抗源和負(fù)載均表現(xiàn)為低阻抗。Pi型濾波器比C型，L型結(jié)構(gòu)提供更好的高頻濾波性能。

　　T型濾波器

　　T型濾波器由兩個(gè)電感元件和一個(gè)電容元件組成。其電路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為從任何一端的輸入均為高阻抗。它和Pi型濾波結(jié)構(gòu)相似，但沒有Pi型濾波器應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于開關(guān)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。