天津電氣科學(xué)研究院有限公司 邸凈宇 王雅靜 劉 斌 王 賓 董小興

開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題分析與整改

天津電氣科學(xué)研究院有限公司 邸凈宇 王雅靜 劉 斌 王 賓 董小興

隨著電子科技的發(fā)展，越來(lái)越多種類(lèi)的電子元件被發(fā)明使用，各種電子元件之間的出現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)電源中的二極管或晶體管在大的電壓電流作用下對(duì)外界產(chǎn)生不可忽略的電磁干擾，使得開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容問(wèn)題比較突出。本文簡(jiǎn)單介紹了開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，并提出了在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)一些避免電磁干擾的措施，最后給出了開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)電磁干擾時(shí)整改思路，使開(kāi)關(guān)電源在傳導(dǎo)發(fā)射時(shí)到達(dá)電磁兼容。

電磁兼容；傳導(dǎo)發(fā)射；開(kāi)關(guān)電源

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和普及，各種個(gè)樣的電子產(chǎn)品遍布了人們生活的空間，在人們生活的環(huán)境內(nèi)充斥了不同頻段的電磁波，不同的電磁波相互干擾，嚴(yán)重的電磁波干擾不可避免地對(duì)儀器設(shè)備的安裝與使用產(chǎn)生一定影響。EMC(電磁兼容)這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)受到關(guān)注。開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性能成為開(kāi)關(guān)電源的重要指標(biāo)。與普通線(xiàn)性穩(wěn)壓電源相比，開(kāi)關(guān)電源的效率高、功耗小、重量輕、體積小，這些特點(diǎn)突出了開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行抗干擾研究的重要性。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)較強(qiáng)，并且其干擾信號(hào)幅度大、范圍寬，還將污染電磁環(huán)境，傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射成為解決電磁干擾必須解決的問(wèn)題，其中傳導(dǎo)發(fā)射更為嚴(yán)重。所以有必要通過(guò)一定的操作來(lái)減小其影響。首先認(rèn)清開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原因是什么，找到產(chǎn)生干擾的位置，并弄清干擾發(fā)生的機(jī)理，在這些基礎(chǔ)之上提出傳導(dǎo)干擾的整改措施。

1.開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的成因

在開(kāi)關(guān)電源中，其開(kāi)關(guān)管頻率普遍較高，在開(kāi)關(guān)電源工作中，主要的元件二極管和晶體管工作時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流都很大，突然地躍變引起的峰值脈沖會(huì)造成對(duì)儲(chǔ)能電感線(xiàn)圈、機(jī)架、高頻變壓器、接地平面、導(dǎo)線(xiàn)、供電電源、等元件工作性能產(chǎn)生威脅。特別是變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路，其電流高次諧波干擾引起的脈沖躍變電壓對(duì)電磁干擾起到重要作用，探究其內(nèi)在原因?yàn)?變壓器利用整流器將正弦波整流后形成多頻率的電流，也就是單向脈動(dòng)電流。單向脈沖電流的波形可分解成直流分量和若干個(gè)交流分量。

研究這種脈沖干擾發(fā)生的緣由，可以注意到存在的一些重要問(wèn)題：首先，開(kāi)關(guān)功率晶體管的負(fù)載大多數(shù)都是儲(chǔ)能電感[1]。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器能夠產(chǎn)生大電流從而引起尖峰噪聲峰值。引起的這個(gè)峰值噪聲被稱(chēng)為尖脈沖，能夠?qū)е码娏鞲蓴_出現(xiàn)，更為嚴(yán)重的可能造成開(kāi)關(guān)管擊穿損壞；其次，輸入電流的畸變也會(huì)在一定程度上造成干擾的出現(xiàn)。在開(kāi)關(guān)電源輸入端往往使用橋式整流電容濾濾電路(如圖1)，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，橋式整流電容的濾波電容的充電時(shí)間相對(duì)較短，在這張情況下，就導(dǎo)致幅度高而寬度窄的脈沖電流出現(xiàn)，從而影響器件工作(如圖2)。

對(duì)這種畸變電流進(jìn)行傅氏變換的處理，會(huì)發(fā)現(xiàn)畸變的電流中富含多種諧波成分。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，不論是輻射干擾還是傳導(dǎo)干擾，都是因?yàn)檩斎敫叽沃C波導(dǎo)致的諧波畸變，從而從整流二極管輸出后導(dǎo)致干擾出現(xiàn)。這是因?yàn)?，從反向電流恢?fù)到零點(diǎn)的時(shí)間段主要由輸出整流二級(jí)管截止時(shí)間確定，并且與結(jié)電容有關(guān)。如果反向電流恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間極短，則二極管會(huì)因?yàn)樽儔浩髀└械拇嬖趯?dǎo)致強(qiáng)高頻干擾出現(xiàn)[2]。

圖1 橋式整流電容濾濾電路

圖2 峰值高而寬度窄的脈沖電流

2.開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的特點(diǎn)

開(kāi)關(guān)電源是一種在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作的能量轉(zhuǎn)換裝置，開(kāi)關(guān)電源在工作狀態(tài)下，其電壓與電流的數(shù)值都、處于較高的水平，此時(shí)很有可能發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象[3]。開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾與數(shù)字電路相比，其發(fā)生的干擾源位置清晰，發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)期間，除此外與開(kāi)關(guān)電源相連接的高平變壓器及散熱器也會(huì)產(chǎn)生干擾源。在開(kāi)關(guān)電源的地磁干擾中，傳導(dǎo)干擾及近場(chǎng)干擾是主要的干擾形式。

3.設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源防電磁干擾的措施

想要降低開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的現(xiàn)象出現(xiàn)幾率，在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)就考慮這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取措施降低電磁干擾發(fā)生的幾率，具體措施為：在例如開(kāi)關(guān)管的漏極、初次級(jí)繞組、集電極等噪音電路節(jié)點(diǎn)中，最大程度的降低PCB銅箔面積，在設(shè)置元件位置時(shí)，保持輸入輸出端與噪音元件的距離，例如變壓器磁芯、線(xiàn)包、器件的散熱片等。

因?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)下器件的外殼有接觸外界接地線(xiàn)，所以噪音元件同時(shí)也要與外殼邊緣保持距離，未遮蔽的變壓器線(xiàn)包、磁芯等都為噪音元件。變壓器如若沒(méi)有進(jìn)行電磁屏蔽處理，則開(kāi)關(guān)電源的屏蔽體與散熱片同變壓器保持一定距離。次級(jí)輸出整流器、柵極驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路、初級(jí)開(kāi)關(guān)功率器件等電流環(huán)的面積都要最大程度地降低。初級(jí)開(kāi)關(guān)電路或輔助整流電路不能與基極的驅(qū)動(dòng)反饋環(huán)路發(fā)生混合。將阻尼的電阻值調(diào)整，以阻尼器在開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)無(wú)振鈴響聲為合適。防止EMI濾波電感飽和。

確保拐彎節(jié)點(diǎn)和次級(jí)電路的元件與初級(jí)電路的屏蔽體或者開(kāi)關(guān)管的散熱片的處于一定距離。設(shè)計(jì)高頻輸入的EMI濾波器的位置處于靠近輸入電纜或連接器端的地方。將高頻輸出的EMI濾波器也設(shè)置在近輸出電線(xiàn)端子的地方。在輔助線(xiàn)圈的整流器電路設(shè)置上一定數(shù)量的電阻；給磁棒線(xiàn)圈并聯(lián)合適的阻尼電阻；給輸出RF濾波器的兩端并聯(lián)上合適的阻尼電阻[4]；將EMI濾波器的位置處于遠(yuǎn)離功率變壓器的地方，特別避免定位在繞包的端部；如果PCB面積充足，則在PCB上設(shè)置屏蔽繞組用的腳位，同時(shí)預(yù)留放置RC阻尼器的地方，RC阻尼器可以在屏蔽繞組兩端實(shí)現(xiàn)跨接。如若器件空間允許，可以在開(kāi)關(guān)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與基極間設(shè)置小徑向引線(xiàn)電容器。同樣若空間條件允許，在直流輸出端設(shè)置個(gè)小RC阻尼器。初級(jí)開(kāi)關(guān)管的散熱片與AC插座也要保持距離。

4.開(kāi)關(guān)發(fā)射傳導(dǎo)的整改思路

表1 給出了兩類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾的極限值。

表1 開(kāi)關(guān)電源的輸入端傳導(dǎo)騷擾極限值

如果頻率在1MHz范圍內(nèi)，則干擾以差模為主要因素，這是由于開(kāi)關(guān)電源同交流電源輸入中的環(huán)流引起的，這會(huì)使差模電流通過(guò)電源進(jìn)線(xiàn)這一途徑流入開(kāi)關(guān)電源，再?gòu)闹芯€(xiàn)流出開(kāi)關(guān)電源。一般情況下的差模傳導(dǎo)發(fā)射產(chǎn)生原因是功率晶體管極電流波形中存在的基波和諧波。故此狀況下，決定差模騷擾電壓調(diào)整與測(cè)試結(jié)果的只有濾波電容與濾波用差模電感。所以，抑制差模干擾的重要措施就是估算合適的濾波原件參數(shù)。

采取的整改措施是，適當(dāng)?shù)氖筙電容量增大；增加差模的電感；對(duì)于一些電源的功率小，則采用PI型的濾波器處理。

如果頻率在5MHz以上，則以共摸干擾最強(qiáng)，共模干擾是由于共模電流造成的，平衡的共模電流同時(shí)在相線(xiàn)L和中線(xiàn)N上流動(dòng)，兩者相位相同，幅度相等。共模傳導(dǎo)騷擾的發(fā)射主要是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)晶體管集電極電壓變動(dòng)所引起的，在這個(gè)過(guò)程中晶體管外殼與散熱片之間的寄生電容耦合產(chǎn)生重要影響。所以，加接試電輸入電路電源濾波器中的共模電容，及在晶體管外殼層與散熱器加入屏蔽層，克服晶體管外殼與散熱器片之間的分布電容，都可以有效的抑制共模傳導(dǎo)騷擾。

整改方法是，如果是外殼接地，使用在地線(xiàn)上添加一個(gè)磁環(huán)繞2圈，這樣的措施對(duì)于10MHz以上的干擾衰減明顯。如果頻率在25-30MHz，采用的主要措施是增強(qiáng)對(duì)地Y的電容，或者變壓器外面包裹銅皮以及改變PCBLAYOUT，在輸出線(xiàn)前端連接一個(gè)雙線(xiàn)并最少繞10圈的小磁環(huán)[5]。與此同時(shí)，在輸出整流管的兩側(cè)并聯(lián)RC濾波器，采取調(diào)整Y2電容位置或者Y2電容量及相應(yīng)參數(shù)值，用銅箔包裹變壓器外部，同時(shí)在變壓器內(nèi)層添加屏蔽措施，然后各繞組的排布也需要重新調(diào)整。對(duì)PCBLAYOUT進(jìn)行調(diào)整，在輸出線(xiàn)前端添加一個(gè)小共模電感（雙線(xiàn)繞），并聯(lián)合適的濾波器，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)[5]。

如果頻率在1MHz-5MHz范圍，差模與共?；旌献饔?，則在輸入端加入幾種X電容消除差摸干擾，同時(shí)分析干擾超標(biāo)的原因。采取的整改措施是，增加適當(dāng)?shù)牟钅ｋ姼衅鳎鶕?jù)需要調(diào)節(jié)差模電感量；同時(shí)也可通過(guò)改變整流二極管屬性。

5.開(kāi)關(guān)電源電磁干擾整改實(shí)例

對(duì)于某種開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)發(fā)射的檢測(cè)曲線(xiàn)不達(dá)標(biāo)，采取的整改措施為：使X電容（C1）增加至0.47μF，同時(shí)將共模電感L2的電感量增加至16mH。經(jīng)過(guò)上述整改，此開(kāi)關(guān)的電源傳導(dǎo)檢測(cè)獲得通過(guò)。如果是由于開(kāi)關(guān)電路所造成的傳導(dǎo)檢測(cè)不合格，最為有效的整改措施就是增強(qiáng)電源輸入端的濾波。消除差模干擾的方法是使用X電容，消除共模干擾的措施是增加共模電感，也為減小差模干擾提供一定作用。

6.結(jié)論

電子產(chǎn)品的使用越來(lái)越為廣泛，而對(duì)于電子產(chǎn)品的電磁傳導(dǎo)發(fā)射整改問(wèn)題也長(zhǎng)時(shí)間在大電流、高電壓的條件下工作，因此這個(gè)過(guò)程會(huì)向外界傳導(dǎo)發(fā)射很強(qiáng)的電磁干擾，所以開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射整改措施相對(duì)于其它產(chǎn)品而言更為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)電磁兼容難度較大，然而通過(guò)研究開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾原理，可以清楚的了解其工作過(guò)程，這樣就可以找到合適的整改辦法，在實(shí)際工作中需要使傳導(dǎo)發(fā)射電平及輻射發(fā)射電平下降至合適范圍內(nèi)，用以滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

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[2]于進(jìn)杰,方龍,李學(xué)武,等．電磁兼容性設(shè)計(jì)[J]．科技資訊,2010(8)：125-125．

[3]于曉平,王新春．開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的原因分析及抑制措施[J]．濟(jì)南教育學(xué)院學(xué)報(bào),2000(1)：21-23．

[4]王凡,王志強(qiáng)．開(kāi)關(guān)電源電磁干擾分析及抑制[J]．電源技術(shù)應(yīng)用,2005,8(4)：26-30．

[5]周超,李春茂,朱峰,等．開(kāi)關(guān)電源電磁兼容(EMC)研究[J]．通信電源技術(shù),2004,21(2)：16-19．

[6]劉先鋒,王連群,趙培均,等．開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制方法探討[J]．通信電源技術(shù),2011,28(3)：53-55．

邸凈宇（1987—），男，河北秦皇島人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：電磁兼容檢測(cè)。