天津電氣科學研究院有限公司 邸凈宇 王雅靜 劉 斌 王 賓 董小興

開關電源電磁兼容性試驗出現(xiàn)的問題分析與整改

天津電氣科學研究院有限公司 邸凈宇 王雅靜 劉 斌 王 賓 董小興

隨著電子科技的發(fā)展，越來越多種類的電子元件被發(fā)明使用，各種電子元件之間的出現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象，開關電源中的二極管或晶體管在大的電壓電流作用下對外界產(chǎn)生不可忽略的電磁干擾，使得開關電源的電磁兼容問題比較突出。本文簡單介紹了開關電源電磁干擾產(chǎn)生的原因及特點，并提出了在設計開關電源時一些避免電磁干擾的措施，最后給出了開關電源出現(xiàn)電磁干擾時整改思路，使開關電源在傳導發(fā)射時到達電磁兼容。

電磁兼容；傳導發(fā)射；開關電源

隨著電子技術的發(fā)展和普及，各種個樣的電子產(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，嚴重的電磁波干擾不可避免地對儀器設備的安裝與使用產(chǎn)生一定影響。EMC(電磁兼容)這個問題已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)受到關注。開關電源的電磁兼容性能成為開關電源的重要指標。與普通線性穩(wěn)壓電源相比，開關電源的效率高、功耗小、重量輕、體積小，這些特點突出了開關電源進行抗干擾研究的重要性。針對開關電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)較強，并且其干擾信號幅度大、范圍寬，還將污染電磁環(huán)境，傳導發(fā)射和輻射發(fā)射成為解決電磁干擾必須解決的問題，其中傳導發(fā)射更為嚴重。所以有必要通過一定的操作來減小其影響。首先認清開關電源產(chǎn)生傳導干擾的原因是什么，找到產(chǎn)生干擾的位置，并弄清干擾發(fā)生的機理，在這些基礎之上提出傳導干擾的整改措施。

1.開關電源電磁干擾產(chǎn)生的成因

在開關電源中，其開關管頻率普遍較高，在開關電源工作中，主要的元件二極管和晶體管工作時產(chǎn)生的電壓和電流都很大，突然地躍變引起的峰值脈沖會造成對儲能電感線圈、機架、高頻變壓器、接地平面、導線、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電磁干擾起到重要作用，探究其內(nèi)在原因為:變壓器利用整流器將正弦波整流后形成多頻率的電流，也就是單向脈動電流。單向脈沖電流的波形可分解成直流分量和若干個交流分量。

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題：首先，開關功率晶體管的負載大多數(shù)都是儲能電感[1]。當開關管導通時，變壓器能夠產(chǎn)生大電流從而引起尖峰噪聲峰值。引起的這個峰值噪聲被稱為尖脈沖，能夠?qū)е码娏鞲蓴_出現(xiàn)，更為嚴重的可能造成開關管擊穿損壞；其次，輸入電流的畸變也會在一定程度上造成干擾的出現(xiàn)。在開關電源輸入端往往使用橋式整流電容濾濾電路(如圖1)，當開關電源工作時，橋式整流電容的濾波電容的充電時間相對較短，在這張情況下，就導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)。

對這種畸變電流進行傅氏變換的處理，會發(fā)現(xiàn)畸變的電流中富含多種諧波成分。進一步的數(shù)據(jù)分析說明，不論是輻射干擾還是傳導干擾，都是因為輸入高次諧波導致的諧波畸變，從而從整流二極管輸出后導致干擾出現(xiàn)。這是因為，從反向電流恢復到零點的時間段主要由輸出整流二級管截止時間確定，并且與結(jié)電容有關。如果反向電流恢復到零點的時間極短，則二極管會因為變壓器漏感的存在導致強高頻干擾出現(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.開關電源電磁干擾的特點

開關電源是一種在開關狀態(tài)下工作的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關電源在工作狀態(tài)下，其電壓與電流的數(shù)值都、處于較高的水平，此時很有可能發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象[3]。開關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)生在功率開關期間，除此外與開關電源相連接的高平變壓器及散熱器也會產(chǎn)生干擾源。在開關電源的地磁干擾中，傳導干擾及近場干擾是主要的干擾形式。

3.設計開關電源防電磁干擾的措施

想要降低開關電源電磁干擾的現(xiàn)象出現(xiàn)幾率，在設計開關電源時就考慮這一點，在設計過程中采取措施降低電磁干擾發(fā)生的幾率，具體措施為：在例如開關管的漏極、初次級繞組、集電極等噪音電路節(jié)點中，最大程度的降低PCB銅箔面積，在設置元件位置時，保持輸入輸出端與噪音元件的距離，例如變壓器磁芯、線包、器件的散熱片等。

因為工作狀態(tài)下器件的外殼有接觸外界接地線，所以噪音元件同時也要與外殼邊緣保持距離，未遮蔽的變壓器線包、磁芯等都為噪音元件。變壓器如若沒有進行電磁屏蔽處理，則開關電源的屏蔽體與散熱片同變壓器保持一定距離。次級輸出整流器、柵極驅(qū)動線路、初級開關功率器件等電流環(huán)的面積都要最大程度地降低。初級開關電路或輔助整流電路不能與基極的驅(qū)動反饋環(huán)路發(fā)生混合。將阻尼的電阻值調(diào)整，以阻尼器在開關的死區(qū)時間內(nèi)無振鈴響聲為合適。防止EMI濾波電感飽和。

確保拐彎節(jié)點和次級電路的元件與初級電路的屏蔽體或者開關管的散熱片的處于一定距離。設計高頻輸入的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濾波器也設置在近輸出電線端子的地方。在輔助線圈的整流器電路設置上一定數(shù)量的電阻；給磁棒線圈并聯(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上設置屏蔽繞組用的腳位，同時預留放置RC阻尼器的地方，RC阻尼器可以在屏蔽繞組兩端實現(xiàn)跨接。如若器件空間允許，可以在開關功率場效應晶體管的漏極與基極間設置小徑向引線電容器。同樣若空間條件允許，在直流輸出端設置個小RC阻尼器。初級開關管的散熱片與AC插座也要保持距離。

4.開關發(fā)射傳導的整改思路

表1 給出了兩類開關電源的傳導騷擾的極限值。

表1 開關電源的輸入端傳導騷擾極限值

如果頻率在1MHz范圍內(nèi)，則干擾以差模為主要因素，這是由于開關電源同交流電源輸入中的環(huán)流引起的，這會使差模電流通過電源進線這一途徑流入開關電源，再從中線流出開關電源。一般情況下的差模傳導發(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?shù)氖筙電容量增大；增加差模的電感；對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，共模干擾是由于共模電流造成的，平衡的共模電流同時在相線L和中線N上流動，兩者相位相同，幅度相等。共模傳導騷擾的發(fā)射主要是因為開關晶體管集電極電壓變動所引起的，在這個過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騷擾。

整改方法是，如果是外殼接地，使用在地線上添加一個磁環(huán)繞2圈，這樣的措施對于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對地Y的電容，或者變壓器外面包裹銅皮以及改變PCBLAYOUT，在輸出線前端連接一個雙線并最少繞10圈的小磁環(huán)[5]。與此同時，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電容量及相應參數(shù)值，用銅箔包裹變壓器外部，同時在變壓器內(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PCBLAYOUT進行調(diào)整，在輸出線前端添加一個小共模電感（雙線繞），并聯(lián)合適的濾波器，并調(diào)整相應參數(shù)[5]。

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

5.開關電源電磁干擾整改實例

對于某種開關電源傳導發(fā)射的檢測曲線不達標，采取的整改措施為：使X電容（C1）增加至0.47μF，同時將共模電感L2的電感量增加至16mH。經(jīng)過上述整改，此開關的電源傳導檢測獲得通過。如果是由于開關電路所造成的傳導檢測不合格，最為有效的整改措施就是增強電源輸入端的濾波。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)品的使用越來越為廣泛，而對于電子產(chǎn)品的電磁傳導發(fā)射整改問題也長時間在大電流、高電壓的條件下工作，因此這個過程會向外界傳導發(fā)射很強的電磁干擾，所以開關電源的傳導發(fā)射整改措施相對于其它產(chǎn)品而言更為復雜，實現(xiàn)電磁兼容難度較大，然而通過研究開關電源產(chǎn)生電磁干擾原理，可以清楚的了解其工作過程，這樣就可以找到合適的整改辦法，在實際工作中需要使傳導發(fā)射電平及輻射發(fā)射電平下降至合適范圍內(nèi)，用以滿足開關電源的電磁兼容性設計。

[1]杜建立,沈延峰．開關電源傳導干擾分析與整改[J]．山東工業(yè)技術,2015(7)：128-129．

[2]于進杰,方龍,李學武,等．電磁兼容性設計[J]．科技資訊,2010(8)：125-125．

[3]于曉平,王新春．開關電源電磁干擾的原因分析及抑制措施[J]．濟南教育學院學報,2000(1)：21-23．

[4]王凡,王志強．開關電源電磁干擾分析及抑制[J]．電源技術應用,2005,8(4)：26-30．

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

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

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