開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。國內已經以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，使得對開關電源在電磁兼容方面的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開關電源的EMI問題已經成為全球開關電源設計師以及電磁兼容(EMC)設計師非常關注的問題。開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt,它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。開關電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅動波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率;兩倍脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成干擾。本文首先結合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開關電源的整體EMI情況包括干擾源、耦合路徑以及敏感電路進行了確定和分析，并同時闡述了開關電源EMI產生的機理，在此基礎上提出了開關電源EMC設計的實現(xiàn)以及在EMC設計過程中應著重處理的技術環(huán)節(jié)，最后提出并總結了解決開關電源電磁兼容問題的方法和思路和開關電源EMI抑制技術。
圖1：SMPS的基本組成
一：SMPS的基本構成：
如圖1所示，交流電經整流橋進入電源的核心部分--用以進行功率轉換的DC/DC變換器，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路，這些電路可統(tǒng)稱為控制電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，并與基準電壓Uf比較，誤差電壓經過放大及脈寬調制(PWM)電路，再經過驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。
二：開關電源EMI的分析：
EMI是Electro Magnetic Interference的縮寫，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡。在高速PCB及系統(tǒng)設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內其他子系統(tǒng)的正常工作。開關電源的EMI特點比較明顯，其電壓、電流變化率很高，電源線路內的dv/dt、di/dt較大，產生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它雜散噪聲，同時向外輻射強電場和強磁場;干擾的主要形式為傳導干擾和近場干擾;干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線電流嚴重;PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預估的難度較大�，F(xiàn)結合SMPS結構(圖1)及并聯(lián)諧振倍壓變換器(圖2)為例介紹開關電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機理。
圖2：某DC/DC功率變換器EMI示意圖
1、 輸入整流回路的噪聲：
如圖2中一次整流回路所示，基本整流器的整流過程是產生EMI最常見的原因。這是因為正弦波電源通過由D1～D4組成的整流器B后變成單向脈動電流已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實驗表明，諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產生射頻干擾。
2、 開關回路的噪聲：
變壓器型功率轉換電路用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調整，是開關穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關管Q1、Q2和高頻變壓器T組成。它產生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產生這種脈沖干擾的主要原因是：
(1)開關功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感，在開關管關斷的瞬間，變壓器T初級出現(xiàn)很大的浪涌電流，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關管。
(2)由高頻變壓器產生的干擾：當原來導通的開關管關斷時，變壓器的漏感所產生的反電勢：E=-Ldi/dt ，其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導向配電系統(tǒng)，影響其它用電設備的安全和經濟運行。
3、 輸出整流回路的噪聲：
如圖2中二級整流回路，是由輸出整流二極管產生的干擾。圖2中在輸出整流二極管D6、D7截止時，有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。
4、 非主回路噪聲：
非主回路既是主回路以外的電路包括輸入輸出控制回路等，一般指圖1中除輸入及DC/DC變換器以外的部分，其中PWM部分的脈沖控制信號是主要的噪聲源。輸入回路易受電網(wǎng)的影響，而輸出回路易受負載的影響，也都容易將噪聲耦合到開關電源內部。
5、 各種元器件及回路的寄生分布參數(shù)引起的噪聲：
如圖3中所示，在EMI的頻率范圍內，常用的無源器件都不能再被認為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴重影響著它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，例如：漏感，原付邊之間的分布電容等，都必須加以考慮。圖4中，一是Co的作用。散熱片k與開關管Q的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Co在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Co流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線de中，以產生共模輻射。二是C12的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C12，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產生同相位的共模噪聲。
圖3：變壓器高頻電路中的寄生電容情況 圖4：開關電路寄生電容
6、 其他影響開關電源EMC性能的因素：
除以上元器件及回路外，電網(wǎng)狀況、負載形式以及電源所在環(huán)境的EMI強度也是影響開關電源EMC性能的重要因素。以負載為例，負載加大，開關管Q關斷產生的|dv/dt|值加大，而負載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關斷時產生的|dv/dt|不同，從而對外部產生的騷擾脈沖也是不同的。另外PCB的布線及元器件的布局都是相當關鍵的因素。實踐證明，印制板的元器件布置和布線設計對開關電源EMC性能有極大的影響，在高頻開關電源中，由于印制板上既有低電平小信號控制線，又有高壓電源母線，同時還有一些高頻功率開關、磁性元件，如何在印制板有限的空間內合理地安排元器件位置，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。
7、開關電源的敏感電路：
電磁敏感度(EMS)是指在存在電磁干擾的情況下，裝置、設備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。開關電源中，各個回路和元器件都同時是干擾源和敏感電路，但相比之下，開關電源的輸入輸出端、控制電路更容易受EMI 的影響而發(fā)生更嚴重的連鎖反應，所以這些電路應采取措施進行重點保護，而干擾源則應該進行抑制。
三：開關電源EMC設計的實現(xiàn)、思路及方法：
電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。電磁兼容性包括兩方面：EMI(電磁干擾)，EMS(電磁耐受)兩方面。其中EMI包括：CE(傳導干擾)，RE(輻射干擾)，PT(干擾功率測試)等等。EMS包括：ESD(靜電放電)，RS(輻射耐受)，EFT/B(快速脈沖耐受)，surge(雷擊)，CS(傳導耐受)等等。
開關電源內外部干擾產生及耦合的機理比較復雜，牽涉到的因素很多，要解決開關電源的EMC問題，必須要具體電路具體分析，避免盲目采取接地、屏蔽、濾波等措施。要針對開關電源EMI的特點，確定主要的干擾因素(包括干擾源、耦合路徑、易感電路)，有的放矢的采取措施。具體而言，開關電源的EMC設計應按照抑制干擾源能量、破壞干擾的耦合通道并對敏感電路進行重點保護的思路進行，把好電源的輸入輸出關口，具體考慮以下幾個方面：
1、 抑制干擾源
抑制干擾源是抑制開關電源EMI的根本，是使開關電源EMI低于規(guī)定極限值的有效方法。
(1)減小功率管通、斷過程中產生的騷擾
如前所述，開關電源的主要騷擾是來自功率開關管通、斷的dv/dt.因此減小功率開關管通、斷的dv/dt是減小開關電源騷擾的重要方面。軟開關技術可以在一定程度上減小開關管通、斷的dv/dt.在研究各種變換器的EMI特性以及緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對干擾水平影響的實驗結果中表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關變換器的EMI電平最低。因此，采用軟開關電源技術，結合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關電源的EMI水平有一定的改善。
(2)開關頻率調制技術
調制技術是把基帶信號變換成傳輸信號的技術。它將模擬信號抽樣量化后，以二進制數(shù)字信號"1"或"0"對光載波進行通斷調制，并進行脈沖編碼(PCM)。數(shù)字調制的優(yōu)點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現(xiàn)長距離傳輸。它的缺點是需要較寬的頻帶，設備也復雜。基帶信號是原始的電信號，一般是指基本的信號波形，在數(shù)字通信中則指相應的電脈沖。在無線遙測遙控系統(tǒng)和無線電技術中調制就是用基帶信號控制高頻載波的參數(shù)(振幅、頻率和相位)，使這些參數(shù)隨基帶信號變化。用來控制高頻載波參數(shù)的基帶信號稱為調制信號。未調制的高頻電振蕩稱為載波(可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等)。
將頻率不變的調制改為隨機調制，變頻調制。固定頻率調制脈沖產生的干擾在低頻段主要是調制頻率的諧波干擾，低頻段的干擾主要集中在各諧波點上。由f.lin提出方法[3]基本思想是通過調制開關頻率fc,把集中在fc及其諧波2fc,3fc……上的能量分散到它們周圍的頻帶上，以降低各個頻點上的emd幅值。該方法不能降低總干擾但能量被分散到頻點的基帶上，從而達到各個頻點都不超過emd規(guī)定的限值。
2、 切斷耦合通道
為了達到這個目的，主要從選擇合適的開關電源電路拓撲;采用正確的接地、屏蔽、濾波措施;設計合理的元器件布局及印制板布線等幾個方面考慮。例如，在電源的輸入輸出端加濾波器能有效的阻斷EMI 的耦合通道。在交流電輸入端加裝電源濾波器，可抑制差模噪聲和共模噪聲，濾波器應接地，因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用�？蓪V波器與金屬外殼相接或用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連。接地阻抗越低濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。
3、 保護敏感電路
干擾源和受擾體同時位于同一塊電路板上，應盡量將相互關聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離的太遠而造成印制線過長所帶來的干擾。開關回路面積應盡量減小而控制回路則應避開其輻射范圍放置。另外，對于開關電源來說，主要是做好機殼屏蔽，高頻變壓器屏蔽，開關管和整流二極管的屏蔽。這樣通過屏蔽干擾電路來保護敏感電路這也是非常好的方法。
四：開關電源EMI抑制技術：
除了屏蔽、接地、濾波等常用的EMI抑制技術以外，針對開關電源的特點，一些新技術，如：軟開關技術，功率管優(yōu)化驅動技術、EMI濾波器設計技術和共模干擾有源抑制技術以及前文提及的開關頻率調制技術等。然而，不論任何技術，最終都是為了抑制EMI,其根本是認識開關電源EMI問題的本質。開關電源的EMI抑制技術目前還處于起步階段，在設計新的干擾抑制技術的同時，綜合運用已有的方法和技術也不失為一種好的方法。
五：結語：
開關電源EMC設計是一項復雜的課題，應該將設計思想方法與具體技術相結合，在分析開關電源EMI產生的位置、機理、強度等相關因素的基礎之上，建立有效的EMI分析設計模型，綜合運用各種手段來進行解決。目的是使電源產品滿足相應的EMC標準規(guī)定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時，無性能的下降或故障;同時還要滿足相關EMC標準規(guī)定的電磁極限值要求，對電磁環(huán)境不構成污染源，而實現(xiàn)電磁兼容。開關電源的EMC設計需受到電源開發(fā)工程師的認真對待和足夠的重視，必須將這一環(huán)節(jié)放到產品的設計開發(fā)階段來做，否則付出的代價將是巨大的。 |
