鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1307次 | 2020年05月25日
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(huì)要求電磁干擾盡可能小。那么在設(shè)計(jì)或應(yīng)用時(shí)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(shí)，開關(guān)管、整流二極管、變壓器等高動(dòng)態(tài)功率器件在快速瞬變過程中，出現(xiàn)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，重要有如下三個(gè)：
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(huì)對人的身體造成一定的危害，危及人的身體健康。
2、電磁干擾出現(xiàn)的源頭
關(guān)于高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)來說，有各種各樣的電路拓?fù)湫问?，但它們核心噪聲源的出現(xiàn)原因是相同的：即，瞬態(tài)變化大電流和高電壓，出現(xiàn)高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動(dòng)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（ElectroMagneticInterference，簡稱EMI）出現(xiàn)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)騷擾路徑重要通過共阻抗耦合、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，甚至由特種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)重要有歐洲無線電干擾委員會(huì)的CISpRpubxxx，德國的VDExxx和美國的FCCpartxxx標(biāo)準(zhǔn)，以及我國定制的EMI標(biāo)準(zhǔn)GB9254xxxx完全等效采用CISpRpubxxx的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，只要滿足CISpRpubxxxB級的電源設(shè)備與電子設(shè)備時(shí)不會(huì)相互影響。表1為CISpRpubxxxB級標(biāo)準(zhǔn)。
表1CISpRpubxxxB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(gè)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)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，出現(xiàn)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)的分布是耦合通道重要途徑，特別是電路中存在的分布電容；
在pCB制板時(shí)，因pCB板布局和走線不合理而出現(xiàn)的高次諧波干擾回路；
低頻特性的器件假如工作在高頻狀態(tài)下時(shí)，其性能會(huì)發(fā)生改變，也是噪聲出現(xiàn)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(jì)輸入電磁干擾抑制濾波器時(shí)，必須對高次諧波噪聲源出現(xiàn)的原理有充分的認(rèn)識(shí)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(shí)，出現(xiàn)高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開關(guān)電源設(shè)備時(shí)，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，重要是對電網(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(shí)也抑制開關(guān)電源內(nèi)部出現(xiàn)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，選擇重要考慮漏電流，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(xiǎn)。
電感LF1、LF2為共模扼流圈，重要針對共模噪聲，一般選用高磁導(dǎo)率、取mH級別感值；差模干擾重要通過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(shí)會(huì)出現(xiàn)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出現(xiàn)諧振而出現(xiàn)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(gè)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(shí)出現(xiàn)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(huì)得到一定的降低；
增大開關(guān)管的G極驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能組件，在能量的充放過程中，會(huì)出現(xiàn)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，出現(xiàn)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，起到電磁屏蔽的用途；
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，起到減小干擾的用途。
3、輻射干擾抑制措施
開關(guān)電源工作時(shí)會(huì)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(shí)，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,出現(xiàn)高頻動(dòng)態(tài)的電流出現(xiàn)電磁場，會(huì)耦合到輸出線上,對供電對象設(shè)備出現(xiàn)電磁干擾,所以輸入線與輸出線必須盡量遠(yuǎn)離；
有動(dòng)態(tài)大電流流過的導(dǎo)線在pCB布局時(shí)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(shí)應(yīng)以最短、盡量粗的引線與電容的地連接；
動(dòng)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(gè)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(jì)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(jì)開關(guān)電源的EMI濾波電路時(shí)，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(jì)、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(jì)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，出現(xiàn)價(jià)值。
關(guān)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(shí)可以選用一款優(yōu)質(zhì)的電源模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
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(gè)系列，封裝形式多樣，兼容國際標(biāo)準(zhǔn)的SIp、DIp等封裝。同時(shí)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，為用戶供應(yīng)穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方法。
