開關電源的電磁兼容設計

摘要：分析了開關電源電磁騷擾的機理，提出相應的抑制措施。討論了電磁兼容設計中需要加以注意的問題。

關鍵詞：開關電源；電磁兼容；電磁騷擾；耦合通道

Electromagnetic Compatibility Design of Switching-mode Power Supply

WANG Hui-li

Abstract:The machanism of electromagnetic disturbance in switching-mode power supply is analysed,and the suppressing metheds are presented.A few key points of EMC design are discussed.

Keywords:Switching mode power supply; Electromagnetic compatibility; EMD; Coupling path

中圖分類號：TN912 文獻標識碼：A 文章編號：0219－2713(2003)04－0152－04

1 引言

電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內，各種電氣設備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內容。EMD是指電氣產品向外發(fā)出噪聲，EMS則是指電氣產品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設備，應該既不受周圍電磁環(huán)境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。

開關電源中的功率開關管在高頻下的通、斷過程產生大幅度的電壓和電流跳變，因而產生強大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（30MHz）是比較低的。多數(shù)小功率開關電源的幾何尺寸遠小于30MHz電磁場對應的波長（空氣介質中約為10m），開關電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時，主要考慮的是傳導騷擾。

2 電磁騷擾

討論電磁騷擾一般是從騷擾源的特性，騷擾的耦合通道特性和受擾體的特性三個方面來進行的。

2.1 開關電源中的主要電磁騷擾源

開關電源中的電磁騷擾源主要有開關器件、二極管和非線性無源元件；在開關電源中，印制板布線不當也是引起電磁騷擾的一個主要因素。

2.1.1 開關電路產生的電磁騷擾

對開關電源來說，開關電路產生的電磁騷擾是開關電源的主要騷擾源之一。開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產生的主要原因是

1）開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸入輸出端，形成傳導騷擾，重者有可能擊穿開關管。

2）脈沖變壓器初級線圈，開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。

2.1.2 二極管整流電路產生的電磁騷擾

主電路中整流二極管產生的反向恢復電流的|di/dt|遠比續(xù)流二極管反向恢復電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復電流形成的騷擾強度大，頻帶寬。整流二極管產生的電壓跳變遠小于電源中的功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此，不計整流二極管產生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

2.1.3 dv/dt與負載大小的關系

功率開關管開通和關斷時產生的dv/dt是開關電源的主要騷擾源。經理論分析及實驗表明，負載加大，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。

2.2 開關電源電磁噪聲的耦合通道

描述開關電源和系統(tǒng)傳導騷擾的耦合通道有兩種方法：

1）將耦合通道分為共模通道和差模通道；

2）采用系統(tǒng)函數(shù)來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。

本文采用第一種方法進行論述。

2.2.1 共模和差模騷擾通道

開關電源在由電網供電時，它將從電網取得的電能變換成另一種特性的電能供給負載。同時開關電源又是一噪聲源，通過耦合通道對電網、開關電源本身和其它設備產生騷擾，通常多采用共模和差模騷擾加以分析。

“共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致，其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾。

“差模騷擾”是指大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或對稱騷擾。是載流體之間的騷擾。

共模騷擾說明騷擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種騷擾在傳輸中還會相互轉化，情況十分復雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產生的，|di/dt|也產生一定的共模騷擾。但是，在低壓大電流的開關電源中，共模騷擾主要是由|dv/dt|產生的還是由|di/dt|產生的，需要進一步研究。

在頻率不是很高的情況下，開關電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實質上構成一多輸入多輸出的電網絡，而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復雜網絡的一種處理方法，這種處理方法在某種場合還比較合適。但是，將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性，雖然能測量出共模分量和差模分量，但共模分量和差模分量是由哪些元器件產生的，的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述開關電源騷擾的耦合通道，即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關系，建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的結果，如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等，都可用來研究開關電源的EMD的調試和預測。但是，用系統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道，還需要做很多工作。

2.2.2 雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

在傳導騷擾頻段（小于30MHz）范圍內，多數(shù)開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是，在開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導的共模騷擾。

3 電磁騷擾的抑制

對開關電源的EMD的抑制措施，主要是

1）減小騷擾源的騷擾強度；

2）切斷騷擾傳播途徑。

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。

3.1 減小開關電源本身的騷擾

減小開關電源本身的騷擾是抑制開關電源騷擾的根本，是使開關電源電磁騷擾低于規(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

上面分析表明，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。人們通常認為軟開關技術可以減小開關管通、斷的dv/dt。但是，目前的一些研究結果表明軟開關并不像人們預料的那樣，可以明顯地減小開關電源的騷擾。沒有實驗結果表明，軟開關變換器在EMC性能方面明顯地優(yōu)于硬開關變換器。

有文獻系統(tǒng)地研究了PWM反激式變換器、準諧振零電流變頻開關正激變換器、多諧振零電壓變頻開關反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EMD特性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實驗結果表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關變換器的EMD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EMD水平有一定的改善。