開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計經(jīng)驗談

　　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)計時，首先進(jìn)行一個系統(tǒng)設(shè)計，明確以下幾點：

　　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，存在一個反向恢復(fù)時間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)生一個反向電壓尖峰VRP，由于少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，會產(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

　二極管反向恢復(fù)時電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?

　　2．開關(guān)管開關(guān)動作時產(chǎn)生電磁干擾

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

　　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)載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產(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)載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關(guān)管在開通時，由于開關(guān)時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，由于關(guān)斷時間很短，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電流會產(chǎn)生電磁場輻射，而且在負(fù)載突切

　　4．控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(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)重時會損壞設(shè)備。而對于某些設(shè)備，電磁輻射會引起重要信息的泄漏。

　　四、開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計

　　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)計主要從以下三個方面入手：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：

1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計

　　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，還需增加如圖所示的V1和R1元件，形成續(xù)流回路吸收L1斷開時釋放的電場能，否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，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
時，會形成電壓尖峰，同時當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時，將會產(chǎn)生電流突變，這些都會引起電磁干擾。

　　2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計，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，由于開關(guān)時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(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)計時常使用一種叫“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

　　在高頻變壓器T1的設(shè)計時，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，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