開關(guan) 電源的電磁幹擾分析
本文來源：麵包板
開關(guan) 電源因體(ti) 積小、功率因數較大等優(you) 點，在通信、控製、計算機等領域應用廣泛。但由於(yu) 會(hui) 產(chan) 生電磁幹擾，其進一步的應用受到一定程度上的限製。本文將分析開關(guan) 電源電磁幹擾的各種產(chan) 生機理，並在其基礎之上，提出開關(guan) 電源的電磁兼容設計方法。
開關(guan) 電源的電磁幹擾分析
首先將工頻交流整流為(wei) 直流，再逆變為(wei) 高頻，最後再經整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓。電路設計及布局不合理、機械振動、接地不良等都會(hui) 形成內(nei) 部電磁幹擾。同時，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢複電流造成的尖峰，也是潛在的強幹擾源。
1 內(nei) 部幹擾源
● 開關(guan) 電路
開關(guan) 電路主要由開關(guan) 管和高頻變壓器組成。開關(guan) 管及其散熱片與(yu) 外殼和電源內(nei) 部的引線間存在分布電容，它產(chan) 生的du/dt具有較大幅度的脈衝(chong) ，頻帶較寬且諧波豐(feng) 富。開關(guan) 管負載為(wei) 高頻變壓器初級線圈，是感性負載。當原來導通的開關(guan) 管關(guan) 斷時，高頻變壓器的漏感產(chan) 生了反電勢E＝-Ldi/dt，其值與(yu) 集電極的電流變化率成正比，與(yu) 漏感成正比，迭加在關(guan) 斷電壓上，形成關(guan) 斷電壓尖峰，從(cong) 而形成傳(chuan) 導幹擾。
● 整流電路的整流二極管
輸出整流二極管截止時有一個(ge) 反向電流，其恢複到零點的時間與(yu) 結電容等因素有關(guan) 。它會(hui) 在變壓器漏感和其他分布參數的影響下產(chan) 生很大的電流變化di/dt，產(chan) 生較強的高頻幹擾，頻率可達幾十兆赫茲(zi) 。
● 雜散參數
由於(yu) 工作在較高頻率，開關(guan) 電源中的低頻元器件特性會(hui) 發生變化，由此產(chan) 生噪聲。在高頻時，雜散參數對耦合通道的特性影響很大，而分布電容成為(wei) 電磁幹擾的通道。
2 外部幹擾源
外部幹擾源可以分為(wei) 電源幹擾和雷電幹擾，而電源幹擾以“共模”和“差模”方式存在。同時，由於(yu) 交流電網直接連到整流橋和濾波電路上，在半個(ge) 周期內(nei) ，隻有輸入電壓的峰值時間才有輸入電流，導致電源的輸入功率因數很低（大約為(wei) 0.6）。而且，該電流含有大量電流諧波分量，會(hui) 對電網產(chan) 生諧波“汙染”。
開關(guan) 電源的EMC設計
產(chan) 生電磁幹擾有3個(ge) 必要條件：幹擾源、傳(chuan) 輸介質、敏感設備，EMC設計的目的就是破壞這3個(ge) 條件中的一個(ge) 。針對於(yu) 此，主要采取的方法有：電路措施、EMI濾波、屏蔽、印製電路板抗幹擾設計等。
1 降低開關(guan) 損耗和開關(guan) 噪聲的軟開關(guan) 技術
軟開關(guan) 是在硬開關(guan) 基礎上發展起來的一種基於(yu) 諧振技術或利用控製技術實現的在零電壓/電流狀態下的先進開關(guan) 技術。
軟開關(guan) 的實現方法是：在原電路中增加小電感、電容等諧振元件，在開關(guan) 過程前後引入諧振，消除電壓、電流的重疊。圖2給出了一種使用軟開關(guan) 技術的基本開關(guan) 單元。
2 減小幹擾源幹擾能量的緩衝(chong) 電路
在開關(guan) 控製電源的輸入部分加入緩衝(chong) 電路，其由線性阻抗穩定網絡組成，用於(yu) 消除電力線幹擾、電快速瞬變、電湧、電壓高低變化和電力線諧波等潛在的幹擾。緩衝(chong) 電路器件參數為(wei) R1=500Ω，C=6nF，L=36mH，R=150Ω。
3 切斷幹擾噪聲傳(chuan) 播路徑的EMI濾波
在開關(guan) 電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器，是抑製傳(chuan) 導發射的一個(ge) 很有效方法。其參數主要有：放電電阻、插入損耗、Cx電容、Cy電容和電感值。其中，插入損耗是濾波器性能的一個(ge) 關(guan) 鍵參數。在考慮機械性能、環境、成本等前提下，應該盡量使插入損耗大一些。用共模、差模幹擾的測量結果與(yu) 標準限值，加上適當的裕量可得到濾波器的插入損耗IL。
ILCM(dB)=Vcm(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB) (1)ILDM(dB)=VDM(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB) (2)式中，3dB表示在分離共模、差模傳(chuan) 導幹擾的測試過程中測試結果比實際值大3dB；M(dB)表示設計裕量，一般取6dB；Vlimit(dB)為(wei) 相關(guan) 標準如CISPR,FCC等規定的傳(chuan) 導幹擾限值。
圖4是220V/50Hz交流輸入的開關(guan) 電源交流側(ce) EMI濾波器的電路。Cy＝3300pF，L1、L2＝0.7mH，它們(men) 構成共模濾波電路，抑製0.5～30MHz的共模幹擾信號。Cx＝0.1μF，L3、L4＝200～500μH，采用金屬粉壓磁芯，與(yu) L1/L2、Cx構成L-N端口間低通濾波器，用於(yu) 抑製電源線上存在的0.15～ 0.5MHz差模幹擾信號。R用於(yu) 消除可能在濾波器中出現的靜電積累。
圖4 開關(guan) 電源交流側(ce) EMI濾波器電路
圖5是開關(guan) 電源的直流輸出側(ce) 濾波電路，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和電容C1、C2組成。為(wei) 了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。
圖5 支流側(ce) 濾波電路
4 用屏蔽來抑製輻射及感應幹擾
開關(guan) 電源幹擾頻譜集中在30MHz以下的頻段，直徑r＜λ/2π,主要是近場性質的電磁場，且屬低阻抗場。可用導電良好的材料對電場屏蔽，而用導磁率高的材料對磁場屏蔽。此外，還要對變壓器、電感器、功率器件等采取有效的屏蔽措施。屏蔽外殼上的通風孔最好為(wei) 圓形，在滿足通風的條件下，孔的數量可以多，每個(ge) 孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁的連續性。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施。對於(yu) 電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地。對於(yu) 磁場屏蔽，屏蔽外殼不需接地。
5 合理的PCB布局及布線
敏感線路主要是指控製電路和直接與(yu) 幹擾測量設備相連的線路。要降低幹擾水平，最簡單的方法就是增大幹擾源與(yu) 敏感線路的間距。但由於(yu) 受電源尺寸的限製，單純的增大間距並非解決(jue) 問題的最佳途徑，更為(wei) 合理的方法是根據幹擾電場的分布情況將敏感線路放在幹擾較弱的地方。PCB抗幹擾布局設計流程如圖6所示。
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