關(guān)于開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb

?隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)開始取代傳統(tǒng)整流電源而被廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。但由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部產(chǎn)生很快的電流、電壓變化，即dv/dt和di/dt，導(dǎo)致開關(guān)電源模塊將產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾和尖峰干擾，并通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響。這就是所討論的電磁兼容性問題，也是關(guān)于開關(guān)電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設(shè)計(jì)問題。由于國家開始對部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此一個(gè)電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場上銷售，所以進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。 

　　電磁兼容學(xué)是一門綜合性學(xué)科，它涉及的理論包括數(shù)學(xué)、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號(hào)分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。 

　　進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，明確以下幾點(diǎn)： 

　　1. 明確系統(tǒng)要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)； 

　　2. 確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路部分，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路； 

　　3. 明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設(shè)備； 

　　4. 確定對電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。

 

　　一、DC/DC變換器內(nèi)部噪聲干擾源分析 

　　1．二極管的反向恢復(fù)引起噪聲干擾 

　　在開關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通工作過程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰VFP；在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷工作過程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr，在反向恢復(fù)過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰VRP，由于少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)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
 

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

　　二極管反向恢復(fù)時(shí)電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?nbsp;

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)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(qiáng)的電磁干擾，在反激變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關(guān)管在開通時(shí)，由于開關(guān)時(shí)間很短以及逆變回路中引線電感的存在，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(qiáng)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(hào)通過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，另外功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場；電感線圈中流過脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射，而且在負(fù)載突切時(shí)，會(huì)形成電壓尖峰，同時(shí)當(dāng)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。 

　    4．控制電路中周期性的高頻脈沖信號(hào)如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周圍電路產(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．開關(guān)電源中的布線設(shè)計(jì)非常重要，不合理布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上，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(wěn)定工作。 

二、外界的電磁干擾 


　　對于某一電子設(shè)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、太陽噪聲、靜電放電，以及周圍的高頻發(fā)射設(shè)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(hào)畸變，影響設(shè)備的正常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。而對于某些設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏。 

四、開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì) 


　　了解了開關(guān)電源內(nèi)部及外部電磁干擾源后，我們還應(yīng)知道，形成電磁干擾機(jī)理的三要素是還有傳播途徑和受擾設(shè)備。因此開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)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(shè)備的抗干擾能力。 

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

下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)： 


1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計(jì) 

　　如圖所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻，都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護(hù)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，接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效的切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線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(dāng)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(xù)流回路吸收L1斷開時(shí)釋放的電場能，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，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會(huì)形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。 

DC/DC變換器輸入濾波電路

2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)，如圖所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為IGBT、MOSFET等開關(guān)元件，在V2、V3開通和關(guān)斷時(shí)，由于開關(guān)時(shí)間很快以及引線電感、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(gòu)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，減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設(shè)計(jì)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電感量、回路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小，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為過沖電壓值。 

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

開關(guān)管電流、電壓波形比較圖

從電磁兼容性設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)盡量降低開關(guān)管V2、V3的開關(guān)頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關(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?fù)洌缭谕葪l件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(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。

從電磁兼容性設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)盡量降低開關(guān)管V2、V3的開關(guān)頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關(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?fù)?，如在同等條件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(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關(guān)管上的電流、電壓波形與沒有吸收回路時(shí)的波形比較。 

 

半橋逆變電路

3.高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計(jì) 

　　在高頻變壓器T1的設(shè)計(jì)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。另外為進(jìn)一步減小電磁干擾，可在原、次邊繞組間增加一個(gè)屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10，高頻干擾電流就通過C9、C10流到大地。 

　　由于變壓器是一個(gè)發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導(dǎo)致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，熱輻射是以電磁波形式對外傳播，因此變壓器必須有很好的散熱條件。 
 

通常將高頻變壓器封裝在一個(gè)鋁殼盒內(nèi)，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，并灌注電子硅膠，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果，減小電磁輻射。 

高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計(jì)

5. 輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì) 

　　如圖所示為輸出半波整流電路，V6為整流二極管，V7為續(xù)流二極管，由于V6、V7工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7，R5、C12和R6、C13分別連接成V6、V7的吸收電路，用于吸收其開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰，并以熱的形式在R5、R6上消耗。 

　　減少整流二極管的數(shù)量就可減小電磁干擾的能量，因此同等條件下，采用半波整流電路比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。 

　　為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，因而也就不會(huì)有反向電壓尖峰干擾，但實(shí)際上對于較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復(fù)電流會(huì)增大，也會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。因此在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管作直流二極管產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)比選用其它二極管器件要小。

輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)

6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計(jì) 

　　輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播，減小電磁干擾在導(dǎo)線周圍的電磁輻射。 

　　如圖所示，L2、C17、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的電磁干擾，濾波電容C17、C18盡量采用多個(gè)電容并聯(lián)，減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓，輸出電感L2值盡量大，減小輸出紋波電流的大小，另外電感L2最好使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，最好不是飽和電感。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們要記住，導(dǎo)線上有電流、電壓的變化，在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會(huì)沿空間傳播形成電磁輻射。 

　　C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線要短，C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。 

Z3為直流EMI濾波器，根據(jù)情況使用或不使用，是采用單級還是多級濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機(jī)箱上，最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。

輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)

7. 接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計(jì) 

　　繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時(shí)要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個(gè)電源，之間最好通過一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)也將產(chǎn)生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。 

8. 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì) 

　　材料選擇：沒有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來切斷電磁干擾在設(shè)備內(nèi)部與外界空氣中的傳播路徑。在進(jìn)行開關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時(shí)，選用高電導(dǎo)率的金屬材料，屏蔽效果較好；當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。 

　  孔洞、縫隙、搭接處理方法：采用電磁屏蔽方法無需重新設(shè)計(jì)電路，便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個(gè)無縫隙、無孔洞、無透入的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是一個(gè)完全密封的屏蔽體是沒有實(shí)用價(jià)值的，因?yàn)樵陂_關(guān)電源設(shè)備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風(fēng)孔等孔洞，以及箱體結(jié)構(gòu)部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施將會(huì)產(chǎn)生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此在開關(guān)電源箱體設(shè)計(jì)時(shí)，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時(shí)要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開孔要小于要屏蔽的電磁波的波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時(shí)可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng)，在要求既要屏蔽效能高，又要通風(fēng)效果好時(shí)選用截至波導(dǎo)管等方法，提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無法滿足要求時(shí)，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外，還可以對電源設(shè)備內(nèi)部的元件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。

在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對設(shè)備上所有會(huì)受到靜電放電試驗(yàn)的部分，設(shè)計(jì)出一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，并且要保證接地線的載流能力，同時(shí)將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶銎帘未胧?。對于結(jié)構(gòu)件的表面處理，一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這需要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。 


　　9. 元器件布局與布線中的電磁兼容設(shè)計(jì)： 

　　對于開關(guān)電源設(shè)備內(nèi)部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求，設(shè)備內(nèi)部的干擾源會(huì)通過輻射和串?dāng)_等途徑影響其它元件或部件的工作，研究表明，在離干擾源一定距離時(shí)，干擾源的能量將大大衰減，因此合理的布局有利于減小電磁干擾的影響。 

　　EMI輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機(jī)箱的入口處，并保證其輸入線與輸出線電磁環(huán)境的屏蔽隔離。 

　　敏感電路或元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱源。