開關(guān)電源的EMI抑制必不可少

　　開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通訊、軍事、民用、航空等各個領(lǐng)域。在很多場合，開關(guān)電源，特別是通信開關(guān)電源要有很強的抗電磁干擾能力，如對浪涌、電網(wǎng)電壓波動的適應(yīng)能力，對靜電、電場、磁場及電磁波等的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對設(shè)備供電的穩(wěn)定性。

　　一方面，因開關(guān)電源內(nèi)部的功率開關(guān)管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器，是在高頻開關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。在高壓大電流的方波切換過程中，將產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流，一方面通過電源輸入線或開關(guān)電源的輸出線傳出，對與電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)備及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，使設(shè)備不能正常工作;另一方面，嚴(yán)重的諧波電壓電流在開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關(guān)電源機殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設(shè)備及對電磁場比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其它設(shè)備工作異常。

　　因此，對開關(guān)電源要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設(shè)備均能夠正常工作，互不干擾。

　　開關(guān)電源的電磁兼容性問題的由來

　　電磁兼容產(chǎn)生的3個要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。開關(guān)電源因工作在開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當(dāng)復(fù)雜的。我們從開關(guān)電源的組成原理來分析其產(chǎn)生電磁干擾的原由。

　　開關(guān)電源的種類很多，按電路結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)式和直流變換式兩種;按激勵方式可分為自激和他激兩種;按開關(guān)管的組合可分為單管、全橋、半橋、推挽，等等。然而，無論何種類型的開關(guān)電源，均是利用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，以開和關(guān)的時間比例來控制輸出電壓的高低。由于開關(guān)電源的工作頻率都在幾十至幾百kHz，所以線路中的電流和電壓變化率都很大，產(chǎn)生了很大的電磁干擾，它們會通過電源線以共模和差模的方式向外傳輸干擾，同時也會向周圍空間輻射干擾。圖1是普通開關(guān)電源線路圖，用于說明電源中電磁干擾的產(chǎn)生與耦合途徑。

　　圖1 開關(guān)電源電路簡圖

　　1.輸入整流回路

　　在輸入整流回路中，整流管VD1~VD4只有在脈動電壓超過輸入濾波電容C1上的電壓的時候才能導(dǎo)通，電流才從市電電源輸入，并對C1進(jìn)行充電。一旦C1上的電壓高于市電電源的瞬時電壓，整流管截止。所以，輸入整流回路的電流是脈沖性質(zhì)的，有著豐富的高次諧波電流。輸入電流與市電電源電壓的不同步，還導(dǎo)致了開關(guān)電源的功率因數(shù)低下。

　　2.開關(guān)回路

　　開關(guān)電源在工作時，開關(guān)管VT處于高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T的初級線圈、開關(guān)管VT和輸入濾波電容C1形成了一個高頻電流環(huán)路。這個環(huán)路的存在，就有可能對空間形成電磁輻射。

　　輸入濾波電容C1對電磁干擾的形成也有一定的影響，如果C1的電容量不足夠大，則輸入濾波效果不好，這時高頻電流還會以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去。

　　此外，在開關(guān)回路中，開關(guān)管驅(qū)動的負(fù)載是高頻變壓器的初級線圈，是電感性的，由于高頻變壓器的結(jié)構(gòu)不是完全理想的，除了初級電感外，還存在一定的漏電感。所以，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器中存儲的能量不能完全地傳送到次級，結(jié)果在高頻變壓器的漏電感上感應(yīng)出一個尖峰高電壓，如果尖峰有足夠高的幅度，很有可能會造成開關(guān)管VT的擊穿。

　　3.次級整流回路

　　開關(guān)電源在工作時，次級整流回路的VD5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線圈、整流二極管VD5和濾波電容C2構(gòu)成了高頻開關(guān)電流環(huán)路。由于有這個環(huán)路的存在，同樣也有可能對空間形成電磁輻射。

　　次級整流回路中的二極管在正向?qū)〞r，PN結(jié)被充電;在加反向電壓時，積累的電荷將被拋散，并因此產(chǎn)生反向電流，這個過程非常短暫。所以，在有分布電感和分布電容存在的回路里，實際上也形成了一個高頻的諧振電路，當(dāng)二極管截止瞬間的電流變化非常劇熱時，在整個次級整流回路中會產(chǎn)生高頻衰減振蕩。

　　4.控制回路

　　在控制回路中的脈沖控制信號是主要的干擾源，只不過與其它各項干擾源比較起來，控制回路的干擾比較小。

　　5.由分布電容引起的干擾

　　(1) 由初級回路開關(guān)管外殼與散熱器的容性耦合引起的共模傳導(dǎo)干擾 在初級回路中，開關(guān)管外殼與散熱器之間的容性耦合，會在電源輸入端產(chǎn)生傳導(dǎo)共模干擾。該共模傳導(dǎo)的途徑形成一個環(huán)路。該環(huán)路始于高du/dt的散熱器和安全接地線，通過交流電源的高頻導(dǎo)納和輸入電源線返回。

　　(2) 由高頻變壓器初次級之間分布電容引起的共模傳導(dǎo)干擾共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它不會通過變壓器“電生磁和磁生電”的機理來傳遞，而必須通過變壓器繞組間的耦合電容傳遞。在開關(guān)電源的高頻變壓器初次級之間存在著分布電容是個不爭的事實。

　　6.產(chǎn)生干擾的其它原因

　　開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關(guān)無損吸收電路，多利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐崿F(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換。因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。

　　開關(guān)電源中，一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實現(xiàn)對差模及共模干擾信號的濾波，以及交流方波信號轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻干擾信號穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。隨著干擾信號頻率的上升，由于引線電感的作用，導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降，直至達(dá)到諧振頻率以上時，完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行?。不正確地使用濾波電容及引線過長，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個原因。

　　開關(guān)電源PCB布線不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、電源線輸入濾波不合理、輸入輸出電源線布線不合理、檢測電路的設(shè)計不合理，均會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。

　　國內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)

　　電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。

　　要徹底消除設(shè)備的電磁干擾及對外部一切電磁干擾信號是不可能的。只能通過系統(tǒng)地制定設(shè)備與設(shè)備之間允許產(chǎn)生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標(biāo)準(zhǔn)，才能使電氣設(shè)備及系統(tǒng)間達(dá)到電磁兼容的要求。國內(nèi)外大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件。

　　國際無線電干擾特別委員會(CISPR)是國際電工委員會(IEC)下屬的一個電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化組織，設(shè)六個分會。早在1934年就開展EMC標(biāo)準(zhǔn)的研究。其中第六分會(SCC)主要負(fù)責(zé)制定關(guān)于干擾測量接收機及測量方法的標(biāo)準(zhǔn)。CISPR16《無線電干擾和抗干擾度測量設(shè)備規(guī)范》對電磁兼容性測量接收機、輔助設(shè)備的性能以及校準(zhǔn)方法給出了詳細(xì)的要求。CISPR17《無線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測量》制訂了濾波器的測量方法。CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備無線電干擾限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15MHz~1000MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備對外部干擾信號的時域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包括通信開關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測試內(nèi)容及測試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計的最基本要求。

　　IEC最近也出版了大量的基礎(chǔ)性電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的是IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定電子電氣設(shè)備的雷擊、浪涌(SURGE)、靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)、電流諧波、電壓跌落、電壓瞬變及短時中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場、由射頻電磁場引起的傳導(dǎo)干擾抗擾度、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。

　　另外，美國聯(lián)邦委員會制定的FCC15、德國電氣工程師協(xié)會制訂的VDE0871、2A1、VDE0871、2A2、VDE0878，都對通信設(shè)備的電磁兼容性提出了要求。

　　我國對電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的研究比較晚，采取的最主要的辦法是引進(jìn)、消化、吸收，洋為中用是國內(nèi)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)制訂的最主要方法。1998年，信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)及ITU-T0.41標(biāo)準(zhǔn)，制定了YD/T983-1998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法》，詳盡規(guī)定了通信電源設(shè)備包括通信開關(guān)電源的電磁兼容性的具體測試項目、要求及測試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗、達(dá)標(biāo)并通過入網(wǎng)檢測明確了設(shè)計目標(biāo)。

　　國標(biāo)也等同采用了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。如GB/T17626.1~12系列標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn);GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備的無線電干擾限值及測量方法》等同采用CISPR22;GB/T17618-1998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》等同采用CISPR24。

　　電磁兼容性研究及解決方法

　　電磁兼容性的研究。一般運用CISPR16及IEC61000中規(guī)定的電磁場檢測儀器及各種干擾信號模擬器、附助設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)測試場地或?qū)嶒炇覂?nèi)部，通過詳盡的測試分析、結(jié)合對電路性能的理解來進(jìn)行分析研究。

　　從電磁兼容性的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性，可從3個方面入手：

　　(1)減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號;

　　(2)切斷干擾信號的傳播途徑;

　　(3)增強受干擾體的抗干擾能力。

　　在解決開關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性時，可以綜合運用上述3個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。

　　對開關(guān)電源產(chǎn)生的對外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)干擾、電磁場輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入輸出濾波電路的設(shè)計，改善有源功率因數(shù)校正(APFC)電路的性能，減少開關(guān)管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)?/strong>及控制方式等。另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。

　　對外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊，應(yīng)優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，可采用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號電路與機殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來解決?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼?strong>頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波(如加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等)來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

　　減小開關(guān)電源的內(nèi)部干擾，實現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個方面入手：注意數(shù)字電路與模擬電路PCB布線的正確區(qū)分、數(shù)字電路與模擬電路電源的正確去耦;注意數(shù)字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響;布線時注意相鄰線間的間距及信號性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_;減小地線阻抗;減小高壓大電流線路特別是變壓器原邊與開關(guān)管、電源濾波電容電路所包圍的面積;減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積;減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容;采用諧振頻率高的濾波電容器等。