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在現(xiàn)當今一切的電子產(chǎn)品當中，都離不開電源。但是，由于開關(guān)電源效率高、體積小的壓倒性優(yōu)勢，在這一切的產(chǎn)品的電源有近百分之90以上都是采用開關(guān)電源停止電壓適配，當然另外也有一些LDO。這樣的話效率、體積或者是功用是到達了開發(fā)者的請求，但是在過認證（EN55022、FCC part 15、GB9254）的時候就會發(fā)現(xiàn)EMC會帶來很多的困擾，例如，空間輻射測試不過，傳導輻射測試不過、雷擊浪涌、脈沖群……常常會由于這些問題的存在招致認證過程的延誤，致產(chǎn)品延緩上市卻不能搶占市場。鑒于此，特搜集整理了一些關(guān)于開關(guān)電源EMI整改問題對策，供各位參考學習。如有任何問題或者疑問，大家都能夠來信一同討論。

 

開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機理及其傳播途徑

 

功率開關(guān)器件的高額開關(guān)動作是導致開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面也導

致了更為嚴重的EMI問題。開關(guān)電源工作時，其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內(nèi)上升和下降的，因此，開關(guān)電源本身是一個噪聲發(fā)生源。開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。使電源產(chǎn)生的干擾不至于對電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源，或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明:

 

 

2、開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾

 

功率開關(guān)管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關(guān)時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。

 

4、其他原因

 

元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度。

 

Flyback架構(gòu)noise在頻譜上的反應：

 

0.15MHz處產(chǎn)生的振蕩是開關(guān)頻率的3次諧波引起的干擾；0.2MHz處產(chǎn)生的振蕩是開關(guān)頻率的4次諧波和Mosfet振蕩2（190.5KHz）基波的迭加，引起的干擾；所以這部分較強；0.25MHz處產(chǎn)生的振蕩是開關(guān)頻率的5次諧波引起的干擾；0.35MHz處產(chǎn)生的振蕩是開關(guān)頻率的7次諧波引起的干擾；0.39MHz處產(chǎn)生的振蕩是開關(guān)頻率的8次諧波和Mosfet振蕩2（190.5KHz）基波的迭加引起的干擾；1.31MHz處產(chǎn)生的振蕩是Diode振蕩1（1.31MHz）的基波引起的干擾；3.3MHz處產(chǎn)生的振蕩是Mosfet振蕩1（3.3MHz）的基波引起的干擾；開關(guān)管、整流二極管的振蕩會產(chǎn)生較強的干擾

 

設計開關(guān)電源時防止EMI的措施：

 

1.把噪音電路節(jié)點的PCB銅箔面積最大限度地減小，如開關(guān)管的漏極、集電極、初次級繞組的節(jié)點等；

 

2.使輸入和輸出端遠離噪音元件，如變壓器線包、變壓器磁芯、開關(guān)管的散熱片等等；

 

3.使噪音元件（如未遮蔽的變壓器線包、未遮蔽的變壓器磁芯和開關(guān)管等等）遠離外殼邊緣，因為在正常操作下外殼邊緣很可能靠近外面的接地線；

 

4.如果變壓器沒有使用電場屏蔽，要保持屏蔽體和散熱片遠離變壓器；

 

5.盡量減小以下電流環(huán)的面積：次級（輸出）整流器、初級開關(guān)功率器件、柵極（基極）驅(qū)動線路、輔助整流器

 

6.不要將門極（基極）的驅(qū)動返饋環(huán)路和初級開關(guān)電路或輔助整流電路混在一起；

 

7.調(diào)整優(yōu)化阻尼電阻值，使它在開關(guān)的死區(qū)時間里不產(chǎn)生振鈴響聲；

 

8.防止EMI濾波電感飽和；

 

9.使拐彎節(jié)點和次級電路的元件遠離初級電路的屏蔽體或者開關(guān)管的散熱片；

 

10.保持初級電路的擺動的節(jié)點和元件本體遠離屏蔽或者散熱片；

 

11.使高頻輸入的EMI濾波器靠近輸入電纜或者連接器端；

 

12.保持高頻輸出的EMI濾波器靠近輸出電線端子；

 

13.使EMI濾波器對面的PCB板的銅箔和元件本體之間保持一定距離；

 

14.在輔助線圈的整流器的線路上放一些電阻；

 

15.在磁棒線圈上并聯(lián)阻尼電阻；

 

16.在輸出RF濾波器兩端并聯(lián)阻尼電阻；

 

17.在PCB設計時允許放1nF/500V陶瓷電容器或者還可以是一串電阻，跨接在變壓器的初級的靜端和輔助繞組之間；

 

18.保持EMI濾波器遠離功率變壓器，尤其是避免定位在繞包的端部；

 

19.在PCB面積足夠的情況下,可在PCB上留下放屏蔽繞組用的腳位和放RC阻尼器的位置，RC阻尼器可跨接在屏蔽繞組兩端；

 

20.空間允許的話在開關(guān)功率場效應管的漏極和門極之間放一個小徑向引線電容器（米勒電容，10皮法/1千伏電容）；

 

21.空間允許的話放一個小的RC阻尼器在直流輸出端；

 

22.不要把AC插座與初級開關(guān)管的散熱片靠在一起。

 

開關(guān)電源EMI的特點：

 

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾；而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度。

 

1MHZ以內(nèi)----以差模干擾為主，增大X電容就可解決；

 

1MHZ---5MHZ---差模共?；旌?，采用輸入端并一系列X電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標并解決；

 

5M以上---以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法。對于外殼接地的，在地線上用一個磁環(huán)繞2圈會對10MHZ以上干擾有較大的衰減(diudiu2006)；

 

對于25--30MHZ不過可以采用加大對地Y電容、在變壓器外面包銅皮、改變PCBLAYOUT、輸出線前面接一個雙線并繞的小磁環(huán)，最少繞10圈、在輸出整流管兩端并RC濾波器；

 

30---50MHZ---普遍是MOS管高速開通關(guān)斷引起，可以用增大MOS驅(qū)動電阻，RCD緩沖電路采用1N4007慢管，VCC供電電壓用1N4007慢管來解決；

 

100---200MHZ---普遍是輸出整流管反向恢復電流引起，可以在整流管上串磁珠；100MHz-200MHz之間大部分出于PFCMOSFET及PFC二極管，現(xiàn)在MOSFET及PFC二極管串磁珠有效果，水平方向基本可以解決問題，但垂直方向就很無奈了。開關(guān)電源的輻射一般只會影響到100M以下的頻段，也可以在MOS、二極管上加相應吸收回路，但效率會有所降低。

 

1MHZ以內(nèi)----以差模干擾為主

 

1.增大X電容量；2.添加差模電感；3.小功率電源可采用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。

 

1MHZ---5MHZ---差模共?；旌?/span>

 

采用輸入端并聯(lián)一系列X電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標并以解決。1.對于差模干擾超標可調(diào)整X電容量，添加差模電感器，調(diào)差模電感量；2.對于共模干擾超標可添加共模電感，選用合理的電感量來抑制；3.也可改變整流二極管特性來處理一對快速二極管如FR107一對普通整流二極管1N4007。

 

5M以上---以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法

 

對于外殼接地的，在地線上用一個磁環(huán)串繞2-3圈會對10MHZ以上干擾有較大的衰減作用；也可選擇緊貼變壓器的鐵芯粘銅箔，銅箔閉環(huán)。處理后端輸出整流管的吸收電路和初級大電路并聯(lián)電容的大小。

 

對于20--30MHZ

 

1.對于一類產(chǎn)品可以采用調(diào)整對地Y2電容量或改變Y2電容位置；2.調(diào)整一二次側(cè)間的Y1電容位置及參數(shù)值；3.在變壓器外面包銅箔、變壓器最里層加屏蔽層，調(diào)整變壓器的各繞組的排布；4.改變PCBLAYOUT；5.輸出線前面接一個雙線并繞的小共模電感；6.在輸出整流管兩端并聯(lián)RC濾波器且調(diào)整合理的參數(shù)；7.在變壓器與MOSFET之間加BEADCORE；8.在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容；9.可以用增大MOS驅(qū)動電阻。

 

30---50MHZ普遍是MOS管高速開通關(guān)斷引起

 

1.可以用增大MOS驅(qū)動電阻；

 

2.RCD緩沖電路采用1N4007慢管；

 

3.VCC供電電壓用1N4007慢管來解決；

 

4.或者輸出線前端串接一個雙線并繞的小共模電感；

 

5.在MOSFET的D-S腳并聯(lián)一個小吸收電路；

 

6.在變壓器與MOSFET之間加BEADCORE；

 

7.在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容；

 

8.PCB心LAYOUT時大電解電容，變壓器，MOS構(gòu)成的電路環(huán)盡可能的??；

 

9.變壓器，輸出二極管，輸出平波電解電容構(gòu)成的電路環(huán)盡可能的小。

 

50---100MHZ普遍是輸出整流管反向恢復電流引起

 

1.可以在整流管上串磁珠；

 

2.調(diào)整輸出整流管的吸收電路參數(shù)；

 

3.可改變一二次側(cè)跨接Y電容支路的阻抗，如PIN腳處加BEADCORE或串接適當?shù)碾娮瑁?/span>

 

4.也可改變MOSFET，輸出整流二極管的本體向空間的輻射（如鐵夾卡MOSFET，鐵夾卡DIODE，改變散熱器的接地點）；

 

5.增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射。

 

200MHZ以上開關(guān)電源已基本輻射量很小，一般可過EMI標準。

 

傳導方面EMI對策：

 

傳導冷機時在0.15-1MHZ超標，熱機時就有7DB余量。主要原因是初級BULK電容DF值過大造成的，冷機時ESR比較大，熱機時ESR比較小，開關(guān)電流在ESR上形成開關(guān)電壓，它會壓在一個電流LN線間流動，這就是差模干擾。解決辦法是用ESR低的電解電容或者在兩個電解電容之間加一個差模電感.........

 

EMC硬件設計規(guī)范與濾波器使用注意事項

 

硬件EMC規(guī)范講解：

 

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器。EMC就圍繞這些問題進行研究。最基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來切斷干擾的傳輸途徑。廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，但已延伸到其他學科領域。

 

本規(guī)范重點在單板的EMC設計上，附帶一些必須的EMC知識及法則。在印制電路板設計階段對電磁兼容考慮將減少電路在樣機中發(fā)生電磁干擾。問題的種類包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線產(chǎn)生的輻射和通過由互連布線和印制線形成的回路拾取噪聲等。

 

在高速邏輯電路里，這類問題特別脆弱，原因很多：

 

1、電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁；

 

2、信號頻率較高，通過寄生電容耦合到步線較有效，串擾發(fā)生更容易；

 

3、信號回路尺寸與時鐘頻率及其諧波的波長相比擬，輻射更加顯著。

 

4、引起信號線路反射的阻抗不匹配問題。

 

一、高頻開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

 

高頻開關(guān)電源的主拓撲電路原理，如圖1所示。

 

 

二、高頻開關(guān)電源電磁騷擾源的分析

 

在圖1a電路中的整流器、功率管Q1，在圖1b電路中的功率管Q2～Q5、高頻變壓器T1、輸出整流二極管D1～D2都是高頻開關(guān)電源工作時產(chǎn)生電磁騷擾的主要騷擾源，具體分析如下。

 

（1）整流器整流過程產(chǎn)生的高次諧波會沿著電源線產(chǎn)生傳導騷擾和輻射騷擾。

 

（2）開關(guān)功率管工作在高頻導通和截止的狀態(tài)，為了降低開關(guān)損耗，提高電源功率密度和整體效率，開關(guān)管的打開和關(guān)斷的速度越來越快，一般在幾微秒，開關(guān)管以這樣的速度打開和關(guān)斷，形成了浪涌電壓和浪涌電流，會產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波，對空間和交流輸入線形成電磁騷擾。

 

（3）高頻變壓器T1進行功率變換的同時，產(chǎn)生了交變的電磁場，向空間輻射電磁波，形成了輻射騷擾。變壓器的分布電感和電容產(chǎn)生振蕩，并通過變壓器初次級之間的分布電容耦合到交流輸入回路，形成傳導騷擾。

 

（4）在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也是一種電磁騷擾源。

 

由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓和電流變化率下，二極管反向恢復的時間越長，則尖峰電流的影響也越大，騷擾信號就越強，由此產(chǎn)生高頻衰減振蕩，這是一種差模傳導騷擾。

 

所有產(chǎn)生的這些電磁信號，通過電源線、信號線、接地線等金屬導線傳輸?shù)酵獠侩娫葱纬蓚鲗}擾。通過導線和器件輻射或通過充當天線的互連線輻射的騷擾信號造成輻射騷擾。

 

三、針對高頻開關(guān)電源電磁騷擾的電磁兼容設計

 

（1）開關(guān)電源入口加電源濾波器，抑制開關(guān)電源所產(chǎn)生的高次諧波。

 

（2）輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環(huán)，一方面抑制電源線內(nèi)的高頻共模，另一方面減小通過電源線輻射的騷擾能量。

 

（3）電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)路面積；把輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線，減小輸入輸出間的電磁耦合；信號線遠離電源線，靠近地線走線，并且走線不要過長，以減小回路的環(huán)面積；PCB板上的線條寬度不能突變，拐角采用圓弧過渡，盡量不采用直角或尖角。

 

（4）對芯片和MOS開關(guān)管安裝去耦電容，其位置盡可能地靠近并聯(lián)在器件的電源和接地管腳。

 

（5）由于接地導線存在Ldi/dt，PCB板和機殼間接地采用銅柱連接，對不適合用銅柱連接的采用較粗的導線，并就近接地。

 

（6）在開關(guān)管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路，吸收浪涌電壓。

 

四、高頻開關(guān)電源電磁騷擾測試曲線

 

在3m法電波暗室對試驗樣機進行測試，其L、N線的傳導騷擾檢測曲線如圖2、3所示，輻射騷擾的垂直極化掃描曲線如圖4、5所示。

 

根據(jù)鐵路客運專線標準規(guī)定，傳導騷擾限值和輻射騷擾限值如表1、2所示。

 

 

本開關(guān)電源 通過了傳導騷擾的測試，測試波形如圖2、3所示。輻射騷擾高頻段230～1000MHz也測試合格，如圖5所示。只是在30～200MHz頻段范圍內(nèi)的垂直極化指標超標， 超標20dB，如圖4所示。

 

由測試結(jié)果可以看出，通過電磁兼容設計在傳導騷擾抑制方面取得了良好效果，在高頻段輻射騷擾的設計也達到了預期效果，下面還需對在30～200MHz頻段范圍內(nèi)的輻射騷擾進行改進設計。

 

由圖4可以看出，本開關(guān)電源存在輻射騷擾超標的現(xiàn)象，為了抑制電磁騷擾而使用鐵氧體元件，價格便宜，效果明顯。

 

 

鐵氧體元件等效電路是電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。低頻時，R很小，L起主要作用，電磁騷擾被反射而受到抑制；高頻時，R增大，電磁騷擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使高頻騷擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的 抑制頻率范圍?？傊x擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條：

 

（1）鐵氧體的體積越大，抑制效果越好；

 

（2）在體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好；

 

（3）內(nèi)徑越小抑制效果也越好；

 

（4）橫截面越大，越不易飽和；

 

（5）磁導率越高，抑制的頻率就越低；

 

（6）鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近騷擾源的地方；

 

（7）在輸入、輸出導線上安裝時，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

 

根據(jù)上面對高頻開關(guān)電源騷擾源和鐵氧體元件的分析，決定在靠近騷擾源的地方套磁珠與磁環(huán)。

 

圖1a中電容C1的接地端套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二極管D1和D2使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)（φ13.5×φ7.5×7）繞兩圈且靠近出口處。經(jīng)過處理后重新測試，其掃描曲線如圖6所示。

 

由此可見，大部分頻段的輻射騷擾已被抑制到標準要求以下，但在頻率81、138、165kHz附近處仍然超標。

 

 

根據(jù)對開關(guān)電源電磁騷擾源的分析可知，在圖1b電路中高頻變壓器T1也是一個騷擾源。為了阻止高頻變壓器產(chǎn)生的騷擾信號以輻射方式發(fā)射，把變壓器的外殼用屏蔽材料銅箔環(huán)繞一圈構(gòu)成一回路加以屏蔽，以切斷變壓器通過空間耦合形成的輻射騷擾傳播途徑。

 

并且為了減少因變壓器側(cè)開通時電流瞬間突變產(chǎn)生的di／dt騷擾，在變壓器T1的 側(cè)串進1個電感，以減小器件的開通損耗，降低輻射騷擾信號。經(jīng)過整改后，輻射騷擾大大下降，再次對本電源輻射騷擾進行測試，完全達到了標準要求，其測試結(jié)果如圖7所示。

 

 

五、結(jié)語

 

隨著時代的發(fā)展，越來越多的電子、電氣設備或系統(tǒng)產(chǎn)品都需要進行檢驗檢測，其中EMC測試是必備的檢驗檢測指標之一。但EMC測試項目費用較貴，EMC實驗室造價昂貴，絕大部分測量設備又需要采用進口設備，導致很少檢驗檢測機構(gòu)有能力建造EMC實驗室。產(chǎn)品的EMC性能是設計階段賦予的，一般電子產(chǎn)品設計時如果不考慮EMC因素，就會很容易導致EMC測試失敗，以致不能通過相關(guān)EMC法規(guī)的測試或認證。例如，產(chǎn)品設計研發(fā)工程師們根據(jù)需求，設計出效果良好的濾波電路，置入產(chǎn)品I/O(輸入/輸出）接口的前級，可使因傳導而進入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處；設計出隔離電路（如變壓器隔離和光電隔離等）解決通過電源線、信號線和地線進入電路的傳導干擾，同時阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾；設計出能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量；通過選擇元器件和合理安排的電路系統(tǒng)，使干擾的影響減少。