開關電源設計中如何避開傳導干擾

時間：2024-07-24 08:56:19

關鍵字：電子產(chǎn)品電磁兼容開關電源

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[導讀]電子產(chǎn)品電磁兼容問題越來越受到人們的重視，尤其是世界上發(fā)達國家，已經(jīng)形成了一套完整的電磁兼容體系，同時我國也正在建立電磁兼容體系。

1 概述

目前，電子產(chǎn)品電磁兼容問題越來越受到人們的重視，尤其是世界上發(fā)達國家，已經(jīng)形成了一套完整的電磁兼容體系，同時我國也正在建立電磁兼容體系，因此，實現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容是進入國際市場的通行證。對于開關電源來說，由于開關管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對外界會產(chǎn)生很強的電磁干擾，因此開關電源的傳導發(fā)射和電磁輻射發(fā)射相對其它產(chǎn)品來說更加難以實現(xiàn)電磁兼容，但如果我們對開關電源產(chǎn)生電磁干擾的原理了解清楚后，就不難找到合適的對策，將傳導發(fā)射電平和輻射發(fā)射電平降到合適的水平，實現(xiàn)電磁兼容性設計。

2 開關電源傳導騷擾

2.1 傳導發(fā)射的產(chǎn)生

開關電源的傳導騷擾是通過電源的輸入電源線向外傳播的電磁干擾。在開關電源輸入電源線中向外傳播的騷擾，既有差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾比差模騷擾產(chǎn)生更強的輻射騷擾。傳導騷擾的測試頻率范圍為150KHz～30MHz，限值要求如下表1 所示：

在0.15MHz～1MHz 的頻率范圍內，騷擾主要以共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的頻率范圍內，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，騷擾的形式主要以共膜為主。傳導發(fā)射的差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關管工作在開關狀態(tài)，當開關管開通時，流過電源線的電流線形上升，開關管關斷時電流突變?yōu)?，因此流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由于電容C5 的存在，它與電感L3 組成低通濾波器，因此，差模傳導騷擾主要存在低頻率段。

共模騷擾的產(chǎn)生主要原因是電源與大地(保護地)之間存在有分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構成回路，產(chǎn)生共模騷擾。

如上圖 1 所示，L、N 為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成輸入EMI 濾波器，DB1 為整流橋，L1、VD1、C6 和VT2 為功率因數(shù)矯正主電路，VT2 為開關管，開關管的D 極與管子的散熱器相連，開關管安裝在散熱器上時，與散熱器之間形成一個耦合電容，如圖1 中的C7 所示，開關管VT2 工作在開關狀態(tài)，其D 極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開關管的開關頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N 電源線構成回路，產(chǎn)生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從上面的圖1 來看，開關管VT2 的D 極與散熱器之間耦合電容的作用最大，在上面的圖1 中，從整流橋到電感L3 之間的電壓為100Hz 的工頻波形，而從電感L3 到二極管VD1 和開關管VT2D 極之間的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次電感L3 的影響也比較大，但L3 與機殼的距離比較遠，分布電容比開關管和散熱器之間的耦合電容小的多，因此我們主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容。

2.2 傳導騷擾的解決方法

2.2.1 EMI 濾波器

解決傳導騷擾目前大都采用無源濾波器，如上圖 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成一個EMI 濾波器，L1、L2 是兩個共模電感，一般來說，在共模電感當中，含有20%左右的差模電感，與電容C1、C2、C3 構成差模濾波器，C4、C5 是共模電容，與電感L1、L2 構成共模濾波器。

共模電感量的計算：

假設開關管集電極的干擾電壓在 400V 左右，轉換成dB(μV)為：

傳導發(fā)射測試設備內部的去耦網(wǎng)絡(LISN)內阻Zin 標準為50Ω。則耦合電容C7 與測試設備去耦網(wǎng)絡的內阻Zin 對騷擾電平的衰減為：

則：如果不加EMI 濾波器時，電源輸出端口所測得的騷擾電平為：

表 1 中A 級電源端口傳導限值的要求為79 dB(μV)，顯然大大超過了限制的要求。則需要濾波器在 150KHz 處的衰減為：

112-79=33 dB，考慮到至少有6dB 的裕量，EMI 濾波器的在150KHz 處的衰減應大于39dB，我們取40dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10 倍頻，在圖1 中有兩個二階濾波器，衰減特性是-80dB/10 倍頻，則濾波器的轉折頻率應在：47KHz 左右，考慮到其他因素的影響，濾波器的轉折頻率取為40KHz。

共模電容 C4、C5 取4700P(考慮到漏電流的問題，不能取太大)，則：C=C4+C5=9400P。

根據(jù)

計算得：L=1.7mH

在設計EMI 濾波器的時候，為了有效的抑制騷擾信號的目的，必須對濾波器兩端將要連接的源阻抗進行合理的搭配，當濾波器的輸出阻抗Zo 和負載阻抗RL 不相等時，在這個端口會產(chǎn)生，反射系數(shù)ρ由下式來定義：

當 Zo 和RL 相差越大，端口產(chǎn)生的反射越大。

EMI 濾波器中的共模電感含有20%左右的差模電感，與X2 電容構成差模濾波器，在上面的原理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對傳導騷擾的低頻端影響比較大，主要原因是因為在低頻段，騷擾的方式主要以差模的方式存在，增大C1、C2、C3，可以減小低頻段的騷擾電平，但取值一般不超過0.47～2.2μF，如果適當增大電容，低頻段仍然超標，可以增加差模電感來解決。

2.2.2 其他方法

EMI 濾波器是采用切斷傳播途徑的方法來減小傳導發(fā)射的騷擾電平，另外我們也可以從發(fā)射的源來著手，減小發(fā)射源向外發(fā)射的電平。

1：如下圖2 所示：

圖2 中，在PFC 升壓電感上增加一個輔助繞組，該繞組的匝數(shù)與主繞組相同，方向與主繞組相反，C7 是開關管與散熱器之間的耦合電容，如圖所示增加一個與C7 容量大致相同的一個電容接到散熱器與輔助繞組之間，這樣C7、C8 耦合到散熱器的騷擾信號幅度相同，方向相反，兩個信號剛好可以相互抵消，大大減小向外發(fā)射的騷擾電平。

2：如下圖3 所示：

在圖3 中，增加一個高頻電容C8，接在開關管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開關管越近越好，該電容選用安規(guī)電容，容量在4700P 到0.01μf 之間，太大會使電源的漏電流超標，經(jīng)過電容C7 耦合到散熱器上的騷擾信號經(jīng)過C8 衰減，衰減的系數(shù)為

由于 C8 比C7 大許多，上式可以簡化為：

可見，假設 C7 為30P，C8 為4700P，則向外發(fā)射的騷擾信號被衰減了157 倍，近45dB。

3 開關電源的輻射騷擾

3.1 輻射騷擾的空間傳輸

1. 遠場和近場

電磁能量以場的形式向四周傳播，就形成了輻射騷擾，場可以分為近場、和遠場，近場又稱為感應場，它的性質與場源有密切的關系，如果場源是高電壓小電流的源，則近場主要是電場，如果場源是低壓大電流，則場源主要是磁場。無論近場是磁場或是電場，當離場源的距離大于λ/2π時，均變成遠場，又稱為輻射場。

由于開關電源工作在高電壓，大電流的狀態(tài)下，近場即有電場，又有磁場。

2. 騷擾的輻射方式

● 單點輻射，主要模擬各相同性的較小的輻射源，輻射的強度可表示為：

式中，P 表示發(fā)射的功率，r 表示離發(fā)射源的距離。可見，單點輻射強度與距離成反比，與發(fā)射源的功率的平方根成正比。

● 平行雙線環(huán)路的輻射

主要模擬差模電流回路的輻射源，其輻射強度可以表示為：

式中 A 為差模電流所包圍的面積，I 是差模電流的大小，r 是離輻射源的距離，λ是波長?？梢姴钅］椛鋸姸扰c差模電流的大小和差模電流所包圍的面積成正比，與距離成反比，與頻率的平方成正比。

因此應在高頻噪聲源處加高頻去耦電容，以免高頻噪聲流入電源回路中。

● 單導線的輻射

單導線的輻射公式可以用來估算共模電流產(chǎn)生的輻射的大?。?

式中，I 是共模電流的大小，r 是到共模電流源的距離， l 是導線的長度，λ是波長。

3. 共模電流輻射

兩根相近的導線，如果流過差模電流，則導線產(chǎn)生的電磁場由于方向相反，大小相等而相互抵消，但如果流過共模電流，時兩根導線產(chǎn)生的電磁場相互疊加。因此大小相同的共模電流所產(chǎn)生的空間輻射要比差模電流產(chǎn)生的空間輻射強度大的多，根據(jù)實驗，兩者的輻射強度相差上千倍。所以，開關電源的輻射主要是由共模電流引起的。

● 共模電流輻射的基本模式

共模輻射有兩種驅動模式，一種是電流驅動模式，一種是電壓驅動模式，在開關電源中，起主要作用的主要是電壓驅動模式。

● 產(chǎn)生共模輻射的條件

產(chǎn)生共模輻射的條件有兩個，一是共模驅動源，一個是共模天線。

任何兩個金屬體之間存在射頻電位差，就構成一副不對稱振子天線，兩個金屬導體分

別是天線的兩個極，對于一個開關電源來說，如下圖所示：

圖4 中C7 是開關管和散熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關管D 極相連接的印制線為天線的兩個極，在分析時可以簡化為下圖5：

圖中，Vs 為騷擾源，對圖4 來說，就是開關管VT2 的D 極，L1、L2 相當于天線的兩個極，一個極是與開關管D 極相連的印制線，另外一個極是散熱器及與之相連的接地線，C是天線兩極之間的耦合電容，即圖4 中開關管與散熱器之間的耦合電容。

共模輻射主要有天線上的共模電流的大小決定，因此，天線兩極 L1、L2 之間的耦合電容越大，輻射功率越大。

另外，當天線的兩個極的總長度大于λ/20時，才能向外輻射能量，并且當天線的長度與騷擾源的波長滿足下列條件時，輻射能量才最大。

3.2 開關電源的輻射源

要解決和減小開關電源的電磁輻射，首先要了解開關電源的輻射源在那兒。對于一個前級帶有PFC 功率因數(shù)矯正電路的開關電源來說，輻射騷擾的源主要分布下面幾個地方(開關電源中的輻射源例如驅動等，相對于下面所列的要弱的多，所以可以不與考慮)。

1. PFC 開關管

2. PFC 升壓二極管

3. DC/DC 開關管

4. DC/DC 的整流管、續(xù)流管

5. PFC 升壓電感

6. DC/DC 變壓器

● PFC 開關管和DC/DC 開關管的輻射原理如上面所述，屬于電壓驅動模式的驅動源，升壓電感和變壓器屬于差模騷擾源，主要原因是漏感的存在，導致電磁能量泄露，向外發(fā)射電磁能量。

● PFC 升壓二極管和DC/DC 的整流二極管在反向截止時，存在反向恢復電流，如下圖所示：

圖中所示的是實際測試的PFC 升壓二極管關斷瞬間的反向恢復電流(不加吸收的情況下)，在圖4 中，該反向恢復電流主要通過C6、VD1、VT2 構成回路，形成差模輻射，另外，由于由于引線電感的存在，很小一部分的電流會通過散熱器與開關管VT2 之間的耦合電容C7 向外流，形成共模輻射。

DC/DC 的整流二極管和續(xù)流管的反向恢復電流會導致二極管的反向電壓出現(xiàn)很高的電壓尖峰，下圖 7 是正激電路的輸出濾波電路。

圖7 中，TI 是變壓器，VD1、VD2 分別是整流管和續(xù)流管，由于整流管、續(xù)流管在由導通轉向截止時有反向恢復電流，該反向恢復電流在VD1、VD2 兩端產(chǎn)生比較高的電壓峰值，由于快恢復二極管的反向恢復電流在幾十nS，所以峰值電壓的頻率較高，其基波頻率在幾十MHz，由于頻率很高，輻射能力很強，下圖8 是整流管和續(xù)流管的電壓波形。