工程師該如何解決開關電源的EMI問題？

　　隨著微電子技術的高速發(fā)展，實際應用對開關電源提出更苛刻的技術要求，不僅講究高效率、高功率密度，且為保證模塊及整體系統(tǒng)的可靠性，會要求電磁干擾盡可能小。那么在設計或應用時如何攻克電源的EMI難題呢?

　　現今開關電源的控制方式采用脈沖寬度調制技術(PWM)，當工作在高頻通斷狀態(tài)時，開關管、整流二極管、變壓器等高動態(tài)功率器件在快速瞬變過程中，產生較強的諧波干擾噪聲和尖峰干擾噪聲，并通過輸入輸出線、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(tǒng)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(tǒng)應用中，電磁干擾(EMI)對系統(tǒng)的危害是顯而易見的，主要有如下三個：

　　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，可能引起周圍易燃易爆物的起火、爆炸，帶來巨大的經濟損失和人身傷亡;

　　l電磁波能量會對人的身體造成一定的危害，危及人的身體健康。

　　2、電磁干擾產生的源頭

　　對于高頻開關電源的設計來說，有各種各樣的電路拓撲形式，但它們核心噪聲源的產生原因是相同的：即，瞬態(tài)變化大電流和高電壓，產生高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動態(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

　　開關電源電磁干擾(Electro Magnetic Interference，簡稱EMI)產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，即電磁場能量以場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)標準主要有歐洲無線電干擾委員會的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。一般來說，只要滿足CISPR Pubxxx B級的電源設備與電子設備時不會相互影響。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、電源線、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

　　開關電源是一個強電磁干擾源，如圖 2所示：

　　l開關管Q1、整流二極管D2在高頻開關狀態(tài)時，會產生較幅度大、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的初級線圈是開關管Q1的感性負載，使得開關管Q1高頻通斷瞬間，產生較大的浪涌電流和衰減振蕩的尖峰電壓;

　　l特別在高頻開關電源中，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，因PCB板布局和走線不合理而產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，其性能會發(fā)生改變，也是噪聲產生的原因之一。

　　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，必須對高次諧波噪聲源產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及其地回線、輸出線及其地回線之間噪聲。共模干擾指的是干擾電壓在輸入、輸出線及其地回線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。當電網受到雷擊時，產生高壓經輸入線導入開關電源設備時，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進行保護。

　　R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路，是輸入濾波電路，主要是對電網串入的電磁噪聲進行抑制，防止對開關電源干擾，同時也抑制開關電源內部產生的高頻噪聲干擾電網，綠化電網的電磁污染。

　　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(guī)不符合的風險。

　　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X電容C2、C4濾除，一般不添加差模電感，因為容易飽和。

　　2)開關管與整流二極管的噪聲抑制措施

　　開關電源在工作過程中，由于開關管、整流二極管存在結電容，在快速開關的時會產生尖峰，通過耦合通道傳遞或發(fā)射出來。另外開關管的結電容和變壓器初級繞組的漏感可能產生諧振而產生干擾信號。因此可采用的對策有：

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

　　l在開關管柵源間加RC緩沖吸收電路，從而減小開關管在快速通斷時產生的尖峰電壓;

　　l減小開關管與周邊組件的壓差，那么開關管的結電容可充電的程度會得到一定的降低;

　　l增大開關管的G極驅動電阻。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

　　高頻變壓器是開關電源的儲能組件，在能量的充放過程中，會產生噪聲干擾。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降低開關電源的工作頻率，減緩能量的快速充放過程;

　　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

　　開關電源工作時會向空間輻射干擾：

　　l輻射噪聲的幅值與輻射源的距離成反比，若空間結構經湊，無法拉開距離時，則采用屏蔽技術;

　　l由于電源輸入線容易通過電網引入噪聲,而且輸入線與高頻變壓器連接,產生高頻動態(tài)的電流產生電磁場，會耦合到輸出線上,對供電對象設備產生電磁干擾,所以輸入線與輸出線必須盡量遠離;

　　l有動態(tài)大電流流過的導線在PCB布局時盡量的短、盡量的粗，遠離低頻信號線;

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

　　l動態(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

　　開關電源的是否穩(wěn)定可靠是整個電氣設備系統(tǒng)的技術核心要求，特別是電磁干擾的濾波電路設計是否符合要求，決定著電氣設備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。在設計開關電源的EMI濾波電路時，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，使設計出來的開關電源產品在市場上能得到更加廣泛的應用，產生價值。

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

　　致遠電子自主研發(fā)、生產的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個系列，封裝形式多樣，兼容國際標準的SIP、DIP等封裝。同時致遠電子為保證電源產品性能建設了行業(yè)內一流的測試實驗室，配備最先進、齊全的測試設備，全系列隔離DC-DC電源通過完整的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，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。