開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設計經(jīng)驗談

　　電磁兼容學(xué)是一門(mén)綜合性學(xué)科，它涉及的理論包括數學(xué)、電磁場(chǎng)理論、天線(xiàn)與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫學(xué)等。

　　進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計時(shí)，首先進(jìn)行一個(gè)系統設計，明確以下幾點(diǎn)：

　　1. 明確系統要滿(mǎn)足的電磁兼容標準；

　　2. 確定系統內的關(guān)鍵電路部分，包括強干擾源電路、高度敏感電路；

　　3. 明確電源設備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設備；

　　4. 確定對電源設備所要采取的電磁兼容性措施。

　　一、DC/DC變換器內部噪聲干擾源分析

　　1．二極管的反向恢復引起噪聲干擾

　　在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等，由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導通工作過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰VFP；在二極管由導通狀態(tài)到阻斷工作過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復時(shí)間trr，在反向恢復過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰VRP，由于少子的存儲與復合效應，會(huì )產(chǎn)生瞬變的反向恢復電流IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

電流電壓波形圖

　二極管反向恢復時(shí)電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

　　2．開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾

　　二極管反向恢復時(shí)電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾，在反激變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及逆變回路中引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓，在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強的電磁干擾。

　　3．電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾：在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過(guò)寄生電容耦合到次邊；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原次邊耦合不理想而存在漏感，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外功率變壓器線(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng)；電感線(xiàn)圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負載突切

　　4．控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。

　　5．此外電路中還會(huì )有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。

　　6．開(kāi)關(guān)電源中的布線(xiàn)設計非常重要，不合理布線(xiàn)將使電磁干擾通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線(xiàn)上，從而影響其它電路的正常工作。

　　7．熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。

　　二、外界的電磁干擾

　　對于某一電子設備，外界對其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括：電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電，以及周?chē)母哳l發(fā)射設備引起的干擾。

　　三、電磁干擾的后果

　　電磁干擾將造成傳輸信號畸變，影響設備的正常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾，嚴重時(shí)會(huì )損壞設備。而對于某些設備，電磁輻射會(huì )引起重要信息的泄漏。

　　四、開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計

　　了解了開(kāi)關(guān)電源內部及外部電磁干擾源后，我們還應知道，形成電磁干擾機理的三要素是還有傳播途徑和受擾設備。因此開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計主要從以下三個(gè)方面入手：1，減小干擾源的電磁干擾能量；2，切斷干擾傳播途徑；3，提高受擾設備的抗干擾能力。

　　正確了解和把握開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源及其產(chǎn)生機理和干擾傳播途徑，對于采取何種抗干擾措施以使設備滿(mǎn)足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開(kāi)關(guān)電源內部產(chǎn)生的干擾源和外部的干擾源，而且可以說(shuō)干擾源無(wú)法消除，受擾設備也總是存在，因此可以說(shuō)電磁兼容問(wèn)題總是存在。

　　下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計：

1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設計

　　如圖所示，FV1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護后級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地，接地線(xiàn)要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線(xiàn)之間的屏蔽隔離，才能有效的切斷傳導干擾沿輸入線(xiàn)的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路，當L1電感值較大時(shí)，還需增加如圖所示的V1和R1元件，形成續流回路吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放的電場(chǎng)能，否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì )形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì )形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線(xiàn)上的紋波電壓，從而減小輸入導線(xiàn)周?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。

DC/DC變換器輸入濾波電路
時(shí)，會(huì )形成電壓尖峰，同時(shí)當它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì )引起電磁干擾。

　　2.高頻逆變電路的電磁兼容設計，如圖所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為IGBT、MOSFET等開(kāi)關(guān)元件，在V2、V3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很快以及引線(xiàn)電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì )產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt突變，從而形成電磁干擾，為此在變壓器原邊兩端增加R4、C4構成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線(xiàn)，減小ab、cd、gh、ef的引線(xiàn)電感。在設計中，C4、C5、C6一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線(xiàn)電感量、回路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小，LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小，其中L為回路電感，I為回路電流，△V為過(guò)沖電壓值。

　　為減小△V，就必須減小回路引線(xiàn)電感值，為此在設計時(shí)常使用一種叫“多層低感復合母排”的裝置，由我所申請專(zhuān)利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達10nH級，從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。

開(kāi)關(guān)管電流、電壓波形比較圖

　　從電磁兼容性設計角度考慮，應盡量降低開(kāi)關(guān)管V2、V3的開(kāi)關(guān)頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓撲，如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。

　　如圖所示增加吸收電路后開(kāi)關(guān)管上的電流、電壓波形與沒(méi)有吸收回路時(shí)的波形比較。

半橋逆變電路

　　3.高頻變壓器的電磁兼容設計

　　在高頻變壓器T1的設計時(shí)，盡量選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。

　　如圖所示，C7、C8為匝間耦合電路，C11為繞組間耦合電容，在變壓器繞制時(shí)，盡量減小分布電容C11，以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。另