電源輸入端口的電磁兼容設計

摘要：分析了開(kāi)關(guān)電源輸入端EMC設計的原理，并在一些實(shí)踐基礎上提出了具體的抑制EMI的措施。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；共模干擾；差模干擾；插入損耗；失配

0 引言

開(kāi)關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調制（PWM）技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開(kāi)關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過(guò)程本身就是一電磁騷擾（EMD）源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數字設備，則設備產(chǎn)生的EMI信號會(huì )變得更加強烈和復雜。

本文從開(kāi)關(guān)電源的工作原理出發(fā)，探討抑制傳導干擾的EMI濾波器的設計以及對輻射EMI的抑制。

1 開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生EMI的機理

數字設備中的邏輯關(guān)系是用脈沖信號來(lái)表示的。為便于分析，把這種脈沖信號適當簡(jiǎn)化，用圖1所示的脈沖串表示。根據傅里葉級數展開(kāi)的方法，可用式（1）計算出信號所有各次諧波的電平。

A_n=2V_o（1）

n=1，2，3…

式中：A_n為脈沖中第n次諧波的電平；

V_o為脈沖的電平；

T為脈沖串的周期；

t_w為脈沖寬度；

t_r為脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

圖1 脈沖信號

開(kāi)關(guān)電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個(gè)高電壓、大電流的受控脈沖信號源。假定某PWM開(kāi)關(guān)電源脈沖信號的主要參數為：V_o=500V，T=2×10^－5s，t_w=10^－5s，t_r=0.4×10^－6s，則其諧波電平如圖2所示。

圖2中開(kāi)關(guān)電源內脈沖信號產(chǎn)生的諧波電平，對于其他電子設備來(lái)說(shuō)即是EMI信號，這些諧波電平可以從對電源線(xiàn)的傳導干擾（頻率范圍為0.15～30MHz）和電場(chǎng)輻射干擾（頻率范圍為30～1000MHz）的測量中反映出來(lái)。

在圖2中，基波電平約160dBμV，500MHz約30dBμV，所以，要把開(kāi)關(guān)電源的EMI電平都控制在標準規定的限值內，是有一定難度的。

圖2 開(kāi)關(guān)電源的諧波電平

2 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的電路設計

當開(kāi)關(guān)電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0.15～30MHz）表現在電源線(xiàn)上時(shí)，稱(chēng)之為傳導干擾。要抑制傳導干擾相對比較容易，只要使用適當的EMI濾波器，就能將其在電源線(xiàn)上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標準規定的限值內。

要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，則濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說(shuō)，如果噪音源內阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個(gè)原則也是設計抑制開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。

幾乎所有設備的傳導干擾都包含共模噪音和差模噪音，開(kāi)關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)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體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線(xiàn)路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。由于線(xiàn)路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì )互相轉變，情況十分復雜。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C_x1，C_x2 0.1～0.47μF；

差模抑制電感L₁，L₂ 100～130μH；

共模抑制電容C_y1，C_y2 10000pF；

共模抑制電感L 15～25mH。

設計時(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(kāi)關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即

f=10kHz

在實(shí)際使用中，由于設備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經(jīng)過(guò)EMI試驗后才能有滿(mǎn)意的結果，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。

開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主，在設計濾波電路時(shí)可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感。常采用如圖4所示的濾波電路，可使開(kāi)關(guān)電源的傳導干擾下降了近30dB，比CISOR22標準的限值低了近6dB以上。

圖4 電源濾波器

還有一個(gè)設計原則是不要過(guò)于追求濾波效果而造成成本過(guò)高，只要達到EMC標準的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3 輻射EMI的抑制措施

如前所述，開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很強的騷擾源，它來(lái)源于開(kāi)關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復。很強的電磁騷擾信號通過(guò)空間輻射和電源線(xiàn)的傳導而干擾鄰近的敏感設備。除了功率開(kāi)關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

雖然，功率開(kāi)關(guān)管的快速通斷給開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)了更高的效益，但是，也帶來(lái)了更強的高頻輻射。要降低輻射干擾，可應用電壓緩沖電路，如在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開(kāi)關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。電感在功率開(kāi)關(guān)管導通時(shí)能避免集電極電流突然增大，同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。

功率開(kāi)關(guān)管的集電極是一個(gè)強干擾源，開(kāi)關(guān)管的散熱片應接到開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極上，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。為減少散熱片和機殼的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼，如有條件的話(huà)，可采用有屏蔽措施的開(kāi)關(guān)管散熱片。

整流二極管應采用恢復電荷小，且反向恢復時(shí)間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的。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和數千pF，電容引線(xiàn)應盡可能短，以減少引線(xiàn)電感。實(shí)際使用中一般采用具有軟恢復特性的整流二極管，并在二極管兩端并接小電容來(lái)消除電路的寄生振蕩。

負載電流越大，續流結束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復的時(shí)間也越長(cháng)，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來(lái)分擔負載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。

開(kāi)關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結構，建議用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(xiàn)限制在磁阻小的屏蔽體內。

根據以上設計思路，對輻射干擾超過(guò)標準限值20dB左右的某開(kāi)關(guān)電源，采用了一些在實(shí)驗室容易實(shí)現的措施，進(jìn)行了如下的改進(jìn)：

——在所有整流二極管兩端并470pF電容；

——在開(kāi)關(guān)管G極的輸入端并50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

——在各輸出濾波電容（電解電容）上并一0.01μF電容；

——在整流二極管管腳上套一小磁珠；

——改善屏蔽體的接地。

經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，該電源就可以通過(guò)輻射干擾測試的限值要求。

4 結語(yǔ)

隨著(zhù)電子產(chǎn)品的電磁兼容性日益受到重視，抑制開(kāi)關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合有關(guān)標準或規范，已成為電子產(chǎn)品設計者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。本文是在分析干擾產(chǎn)生機理、以及大量實(shí)踐的基礎上，提出了行之有效的抑制措施。