工程師該如何解決開關(guān)電源的EMI問題？

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用對開關(guān)電源提出更苛刻的技術(shù)要求，不僅講究高效率、高功率密度，且為保證模塊及整體系統(tǒng)的可靠性，會要求電磁干擾盡可能小。那么在設(shè)計或應(yīng)用時如何攻克電源的EMI難題呢?

現(xiàn)今開關(guān)電源的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)，當(dāng)工作在高頻通斷狀態(tài)時，開關(guān)管、整流二極管、變壓器等高動態(tài)功率器件在快速瞬變過程中，產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾噪聲和尖峰干擾噪聲，并通過輸入輸出線、分布電容的傳導(dǎo)、空間輻射、串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。

一、電磁干擾(EMI)的綜述

1、電磁干擾(EMI)危害

在電子終端設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中，電磁干擾(EMI)對系統(tǒng)的危害是顯而易見的，主要有如下三個：

影響電子終端設(shè)備性能，甚至導(dǎo)致其不能正常工作;

由于電磁噪聲的干擾，導(dǎo)致電氣、電子設(shè)備的器件高壓擊穿、燒毀，可能引起周圍易燃易爆物的起火、爆炸，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡;

電磁波能量會對人的身體造成一定的危害，危及人的身體健康。

2、電磁干擾產(chǎn)生的源頭

對于高頻開關(guān)電源的設(shè)計來說，有各種各樣的電路拓?fù)湫问?，但它們核心噪聲源的產(chǎn)生原因是相同的：即，瞬態(tài)變化大電流和高電壓，產(chǎn)生高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動態(tài)功率器件都是電磁干擾(EMI) 噪聲的源頭。

3、電磁干擾(EMI)要素

開關(guān)電源電磁干擾(Electro Magnetic Interference，簡稱EMI)產(chǎn)生的條件和傳播途徑如圖 1所示：騷擾源、騷擾路徑、敏感設(shè)備。傳導(dǎo)騷擾路徑主要通過共阻抗耦合、容性耦合、感性耦合，測試頻段在150K~30MHz之間;以空間途徑輻射為主的噪聲是輻射騷擾干擾，即電磁場能量以場的形式向四周空間傳播，測試頻段在30M~300MHz之間。

圖 1 電磁干擾三大要素圖

4、測定噪聲的標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn)一般由國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)、政府，甚至由軍事部門組織定制的一系列的電磁兼容可靠性標(biāo)準(zhǔn)，其強(qiáng)制要求確保電子設(shè)備和各單元電路符合電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)外電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)主要有歐洲無線電干擾委員會的CISPR Pubxxx，德國的VDE xxx和美國的FCC Part xxx標(biāo)準(zhǔn)，以及我國定制的EMI標(biāo)準(zhǔn)GB9254 xxxx完全等效采用CISPR Pubxxx的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，只要滿足CISPR Pubxxx B級的電源設(shè)備與電子設(shè)備時不會相互影響。表 1為CISPR Pubxxx B級標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 CISPR Pubxxx B級標(biāo)準(zhǔn)

表 1所示，015～30MHz頻率的噪聲為傳導(dǎo)干擾噪聲，一般以公共地線、電源線、分布電容等途徑傳播; 30MHz～300MHz頻率的噪聲源，一般以空間傳播的方式對外干擾傳播，這種噪聲叫做輻射噪聲。

二、電磁干擾(EMI)的解決途徑

1、噪聲源頭的分布

開關(guān)電源是一個強(qiáng)電磁干擾源，如圖 2所示：

開關(guān)管Q1、整流二極管D2在高頻開關(guān)狀態(tài)時，會產(chǎn)生較幅度大、頻帶寬的瞬態(tài)電流和瞬態(tài)電壓;

存在漏感的高頻變壓器T1的初級線圈是開關(guān)管Q1的感性負(fù)載，使得開關(guān)管Q1高頻通斷瞬間，產(chǎn)生較大的浪涌電流和衰減振蕩的尖峰電壓;

特別在高頻開關(guān)電源中，雜散參數(shù)的分布是耦合通道主要途徑，特別是電路中存在的分布電容;

在PCB制板時，因PCB板布局和走線不合理而產(chǎn)生的高次諧波干擾回路;

低頻特性的器件如果工作在高頻狀態(tài)下時，其性能會發(fā)生改變，也是噪聲產(chǎn)生的原因之一。

圖 2 噪聲源的分布圖

這些干擾噪聲源的頻率從幾百KHz到幾十MHz，甚至上百M(fèi)Hz，都是寬頻帶的噪聲信號源，在設(shè)計輸入電磁干擾抑制濾波器時，必須對高次諧波噪聲源產(chǎn)生的原理有充分的認(rèn)識和了解。

2、傳導(dǎo)干擾抑制措施

圖 2所示傳導(dǎo)干擾一般分為：差模干擾(DM)和共模干擾(CM)。差模干擾指的是干擾電壓存在于輸入線及其地回線、輸出線及其地回線之間噪聲。共模干擾指的是干擾電壓在輸入、輸出線及其地回線上的幅度相同的噪聲，參考電位一般以大地為主。

1) 電源輸入EMI濾波器

圖 3 輸入EMI濾波電路圖

圖 3是典型的輸入EMI抑制電路。當(dāng)電網(wǎng)受到雷擊時，產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開關(guān)電源設(shè)備時，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護(hù)。

R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路，是輸入濾波電路，主要是對電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制，防止對開關(guān)電源干擾，同時也抑制開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng)，綠化電網(wǎng)的電磁污染。

電容C1、C3、C5為Y電容，選擇主要考慮漏電流，容值越大EMI效果越好，但是漏電流就越大，存在安規(guī)不符合的風(fēng)險。

電感LF1、LF2為共模扼流圈，主要針對共模噪聲，一般選用高磁導(dǎo)率、取mH級別感值;差模干擾主要通過X電容C2、C4濾除，一般不添加差模電感，因?yàn)槿菀罪柡汀?/p>

2) 開關(guān)管與整流二極管的噪聲抑制措施

開關(guān)電源在工作過程中，由于開關(guān)管、整流二極管存在結(jié)電容，在快速開關(guān)的時會產(chǎn)生尖峰，通過耦合通道傳遞或發(fā)射出來。另外開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器初級繞組的漏感可能產(chǎn)生諧振而產(chǎn)生干擾信號。因此可采用的對策有：

在開關(guān)管D極和G極穿接一個磁珠環(huán)，減小開關(guān)管的電流變化率，從而達(dá)到減小尖峰電壓的目的;

在開關(guān)管柵源間加RC緩沖吸收電路，從而減小開關(guān)管在快速通斷時產(chǎn)生的尖峰電壓;

減小開關(guān)管與周邊組件的壓差，那么開關(guān)管的結(jié)電容可充電的程度會得到一定的降低;

增大開關(guān)管的G極驅(qū)動電阻。如圖 4 所示。

圖 4 用于尖峰電壓吸收的幾種電路

3) 高頻變壓器噪聲抑制措施

高頻變壓器是開關(guān)電源的儲能組件，在能量的充放過程中，會產(chǎn)生噪聲干擾。特別是高頻變壓器的漏感和分布電容形成的振蕩回路，產(chǎn)生高頻振蕩并且向外輻射電磁波能量，造成電磁干擾。對此可采用的對策有：

變壓器初次級間加屏蔽，并且銅箔要接地，將初次級的干擾噪聲隔離，分布電容、接地銅箔構(gòu)成共模干擾噪聲的回路，使其不能傳入次級端，起到電磁屏蔽的作用;

降低開關(guān)電源的工作頻率，減緩能量的快速充放過程;

在制作變壓器，采用三明治繞法，減小其漏感和匝間電容，降低電壓尖峰，減小寄生振蕩，起到減小干擾的作用。

3、輻射干擾抑制措施

開關(guān)電源工作時會向空間輻射干擾：

輻射噪聲的幅值與輻射源的距離成反比，若空間結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，無法拉開距離時，則采用屏蔽技術(shù);

由于電源輸入線容易通過電網(wǎng)引入噪聲,而且輸入線與高頻變壓器連接,產(chǎn)生高頻動態(tài)的電流產(chǎn)生電磁場，會耦合到輸出線上,對供電對象設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾,所以輸入線與輸出線必須盡量遠(yuǎn)離;

有動態(tài)大電流流過的導(dǎo)線在PCB布局時盡量的短、盡量的粗，遠(yuǎn)離低頻信號線;

高功率、高頻通斷工作的器件，在接地時應(yīng)以最短、盡量粗的引線與電容的地連接;

動態(tài)大電流環(huán)是輻射的感性耦合途徑之一，環(huán)路面積應(yīng)盡量小。

三、結(jié)論

開關(guān)電源的是否穩(wěn)定可靠是整個電氣設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)核心要求，特別是電磁干擾的濾波電路設(shè)計是否符合要求，決定著電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。在設(shè)計開關(guān)電源的EMI濾波電路時，應(yīng)該綜合考慮高功率器件噪聲的抑制、PCB結(jié)構(gòu)的布局、高頻變壓器的設(shè)計、接地等等，盡可能使其符合國內(nèi)外電磁干擾噪聲的測定標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計出來的開關(guān)電源產(chǎn)品在市場上能得到更加廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生價值。

對于自主搭建的電源模塊，不僅研發(fā)周期較長和生產(chǎn)成本較高，且產(chǎn)品的一致性與可靠性均難以保證，此時可以選用一款優(yōu)質(zhì)的電源模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。

致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個系列，封裝形式多樣，兼容國際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝。同時致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測試實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)、齊全的測試設(shè)備，全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測試，靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV，可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。