工程師該如何解決開(kāi)關(guān)電源的EMI問(wèn)題？

　　隨著(zhù)微電子技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)際應用對開(kāi)關(guān)電源提出更苛刻的技術(shù)要求，不僅講究高效率、高功率密度，且為保證模塊及整體系統的可靠性，會(huì )要求電磁干擾盡可能小。那么在設計或應用時(shí)如何攻克電源的EMI難題呢?

　　現今開(kāi)關(guān)電源的控制方式采用脈沖寬度調制技術(shù)(PWM)，當工作在高頻通斷狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管、整流二極管、變壓器等高動(dòng)態(tài)功率器件在快速瞬變過(guò)程中，產(chǎn)生較強的諧波干擾噪聲和尖峰干擾噪聲，并通過(guò)輸入輸出線(xiàn)、分布電容的傳導、空間輻射、串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統設備的正常工作。

　　一、電磁干擾(EMI)的綜述

　　1、電磁干擾(EMI)危害

　　在電子終端設備系統應用中，電磁干擾(EMI)對系統的危害是顯而易見(jiàn)的，主要有如下三個(gè)：

　　l影響電子終端設備性能，甚至導致其不能正常工作;

　　l由于電磁噪聲的干擾，導致電氣、電子設備的器件高壓擊穿、燒毀，可能引起周?chē)兹家妆锏钠鸹?、爆炸，帶?lái)巨大的經(jīng)濟損失和人身傷亡;

　　l電磁波能量會(huì )對人的身體造成一定的危害，危及人的身體健康。

　　2、電磁干擾產(chǎn)生的源頭

　　對于高頻開(kāi)關(guān)電源的設計來(lái)說(shuō)，有各種各樣的電路拓撲形式，但它們核心噪聲源的產(chǎn)生原因是相同的：即，瞬態(tài)變化大電流和高電壓，產(chǎn)生高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動(dòng)態(tài)功率器件都是電磁干擾(EMI) 噪聲的源頭。

　　3、電磁干擾(EMI)要素

　　開(kāi)關(guān)電源電磁干擾(Electro Magnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI)產(chǎn)生的條件和傳播途徑如圖 1所示：騷擾源、騷擾路徑、敏感設備。傳導騷擾路徑主要通過(guò)共阻抗耦合、容性耦合、感性耦合，測試頻段在150K~30MHz之間;以空間途徑輻射為主的噪聲是輻射騷擾干擾，即電磁場(chǎng)能量以場(chǎng)的形式向四周空間傳播，測試頻段在30M~300MHz之間。

　　圖 1 電磁干擾三大要素圖

　　4、測定噪聲的標準

　　電磁兼容(EMC)的標準一般由國內外權威機構、政府，甚至由軍事部門(mén)組織定制的一系列的電磁兼容可靠性標準，其強制要求確保電子設備和各單元電路符合電磁兼容(EMC)的標準，目前國內外電磁兼容(EMC)標準主要有歐洲無(wú)線(xiàn)電干擾委員會(huì )的CISPR Pubxxx，德國的VDE xxx和美國的FCC Part xxx標準，以及我國定制的EMI標準GB9254 xxxx完全等效采用CISPR Pubxxx的標準。一般來(lái)說(shuō)，只要滿(mǎn)足CISPR Pubxxx B級的電源設備與電子設備時(shí)不會(huì )相互影響。表 1為CISPR Pubxxx B級標準。

　　表 1 CISPR Pubxxx B級標準

　　表 1所示，015～30MHz頻率的噪聲為傳導干擾噪聲，一般以公共地線(xiàn)、電源線(xiàn)、分布電容等途徑傳播; 30MHz～300MHz頻率的噪聲源，一般以空間傳播的方式對外干擾傳播，這種噪聲叫做輻射噪聲。

　　二、電磁干擾(EMI)的解決途徑

　　1、噪聲源頭的分布

　　開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)強電磁干擾源，如圖 2所示：

　　l開(kāi)關(guān)管Q1、整流二極管D2在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較幅度大、頻帶寬的瞬態(tài)電流和瞬態(tài)電壓 ;

　　l存在漏感的高頻變壓器T1的初級線(xiàn)圈是開(kāi)關(guān)管Q1的感性負載，使得開(kāi)關(guān)管Q1高頻通斷瞬間，產(chǎn)生較大的浪涌電流和衰減振蕩的尖峰電壓;

　　l特別在高頻開(kāi)關(guān)電源中，雜散參數的分布是耦合通道主要途徑，特別是電路中存在的分布電容;

　　l在PCB制板時(shí)，因PCB板布局和走線(xiàn)不合理而產(chǎn)生的高次諧波干擾回路;

　　l低頻特性的器件如果工作在高頻狀態(tài)下時(shí)，其性能會(huì )發(fā)生改變，也是噪聲產(chǎn)生的原因之一。

　　圖 2 噪聲源的分布圖

　　這些干擾噪聲源的頻率從幾百KHz到幾十MHz，甚至上百MHz，都是寬頻帶的噪聲信號源，在設計輸入電磁干擾抑制濾波器時(shí)，必須對高次諧波噪聲源產(chǎn)生的原理有充分的認識和了解。

　　2、傳導干擾抑制措施

　　圖 2所示傳導干擾一般分為：差模干擾(DM)和共模干擾(CM)。差模干擾指的是干擾電壓存在于輸入線(xiàn)及其地回線(xiàn)、輸出線(xiàn)及其地回線(xiàn)之間噪聲。共模干擾指的是干擾電壓在輸入、輸出線(xiàn)及其地回線(xiàn)上的幅度相同的噪聲，參考電位一般以大地為主。

　　1)電源輸入EMI濾波器

　　圖 3 輸入EMI濾波電路圖

　　圖 3是典型的輸入EMI抑制電路。當電網(wǎng)受到雷擊時(shí)，產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線(xiàn)導入開(kāi)關(guān)電源設備時(shí)，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護。

　　R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路，是輸入濾波電路，主要是對電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制，防止對開(kāi)關(guān)電源干擾，同時(shí)也抑制開(kāi)關(guān)電源內部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng)，綠化電網(wǎng)的電磁污染。

　　電容C1、C3、C5為Y電容，選擇主要考慮漏電流，容值越大EMI效果越好，但是漏電流就越大，存在安規不符合的風(fēng)險。

　　電感LF1、LF2為共模扼流圈，主要針對共模噪聲，一般選用高磁導率、取mH級別感值;差模干擾主要通過(guò)X電容C2、C4濾除，一般不添加差模電感，因為容易飽和。

　　2)開(kāi)關(guān)管與整流二極管的噪聲抑制措施

　　開(kāi)關(guān)電源在工作過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)管、整流二極管存在結電容，在快速開(kāi)關(guān)的時(shí)會(huì )產(chǎn)生尖峰，通過(guò)耦合通道傳遞或發(fā)射出來(lái)。另外開(kāi)關(guān)管的結電容和變壓器初級繞組的漏感可能產(chǎn)生諧振而產(chǎn)生干擾信號。因此可采用的對策有：

　　l在開(kāi)關(guān)管D極和G極穿接一個(gè)磁珠環(huán)，減小開(kāi)關(guān)管的電流變化率，從而達到減小尖峰電壓的目的;

　　l在開(kāi)關(guān)管柵源間加RC緩沖吸收電路，從而減小開(kāi)關(guān)管在快速通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓;

　　l減小開(kāi)關(guān)管與周邊組件的壓差，那么開(kāi)關(guān)管的結電容可充電的程度會(huì )得到一定的降低;

　　l增大開(kāi)關(guān)管的G極驅動(dòng)電阻。如圖 4 所示。

　　圖 4 用于尖峰電壓吸收的幾種電路

　　3)高頻變壓器噪聲抑制措施

　　高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源的儲能組件，在能量的充放過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生噪聲干擾。特別是高頻變壓器的漏感和分布電容形成的振蕩回路，產(chǎn)生高頻振蕩并且向外輻射電磁波能量，造成電磁干擾。對此可采用的對策有：

　　l變壓器初次級間加屏蔽，并且銅箔要接地，將初次級的干擾噪聲隔離，分布電容、接地銅箔構成共模干擾噪聲的回路，使其不能傳入次級端，起到電磁屏蔽的作用;

　　l降低開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，減緩能量的快速充放過(guò)程;

　　l在制作變壓器，采用三明治繞法，減小其漏感和匝間電容，降低電壓尖峰，減小寄生振蕩，起到減小干擾的作用。

　　3、輻射干擾抑制措施

　　開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)會(huì )向空間輻射干擾：

　　l輻射噪聲的幅值與輻射源的距離成反比，若空間結構經(jīng)湊，無(wú)法拉開(kāi)距離時(shí)，則采用屏蔽技術(shù);

　　l由于電源輸入線(xiàn)容易通過(guò)電網(wǎng)引入噪聲,而且輸入線(xiàn)與高頻變壓器連接,產(chǎn)生高頻動(dòng)態(tài)的電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)，會(huì )耦合到輸出線(xiàn)上,對供電對象設備產(chǎn)生電磁干擾,所以輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)必須盡量遠離;

　　l有動(dòng)態(tài)大電流流過(guò)的導線(xiàn)在PCB布局時(shí)盡量的短、盡量的粗，遠離低頻信號線(xiàn);

　　l高功率、高頻通斷工作的器件，在接地時(shí)應以最短、盡量粗的引線(xiàn)與電容的地連接;

　　l動(dòng)態(tài)大電流環(huán)是輻射的感性耦合途徑之一，環(huán)路面積應盡量小。

　　三、結論

　　開(kāi)關(guān)電源的是否穩定可靠是整個(gè)電氣設備系統的技術(shù)核心要求，特別是電磁干擾的濾波電路設計是否符合要求，決定著(zhù)電氣設備系統的穩定性、可靠性。在設計開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波電路時(shí)，應該綜合考慮高功率器件噪聲的抑制、PCB結構的布局、高頻變壓器的設計、接地等等，盡可能使其符合國內外電磁干擾噪聲的測定標準，使設計出來(lái)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)上能得到更加廣泛的應用，產(chǎn)生價(jià)值。

　　對于自主搭建的電源模塊，不僅研發(fā)周期較長(cháng)和生產(chǎn)成本較高，且產(chǎn)品的一致性與可靠性均難以保證，此時(shí)可以選用一款優(yōu)質(zhì)的電源模塊進(jìn)行產(chǎn)品設計。

　　致遠電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個(gè)系列，封裝形式多樣，兼容國際標準的SIP、DIP等封裝。同時(shí)致遠電子為保證電源產(chǎn)品性能建設了行業(yè)內一流的測試實(shí)驗室，配備最先進(jìn)、齊全的測試設備，全系列隔離DC-DC電源通過(guò)完整的EMC測試，靜電抗擾度高達4KV、浪涌抗擾度高達2KV，可應用于絕大部分復雜惡劣的工業(yè)現場(chǎng)，為用戶(hù)提供穩定、可靠的電源隔離解決方案。