開關(guān)電源的EMC設(shè)計

1、開關(guān)電源的EMC設(shè)計 目前，大多數(shù)電子產(chǎn)品都選用開關(guān)電源供電，以節(jié)省能源和提高工作效率；同時越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路，以提供更多的應(yīng)用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)字電路中的時鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設(shè)計的主要內(nèi)容。下面以一個開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計過程進行分析。圖1是一個普遍應(yīng)用的反激式或稱為回掃式的開關(guān)電源工作原理圖，50 Hz或60 Hz交流電網(wǎng)電壓首先經(jīng)整流堆整流，并向儲能濾波電容器C5充電，然后向變壓器T1與開關(guān)管V1組成的負載回路供電。 1）脈沖尖峰電流及其抑制措施。一般電容器C5的容量很大，其兩端電壓紋波很小，大約只有輸入電壓的10左右，而僅當輸入電壓

2、Uin大于電容器C5兩端電壓的時候，整流二極管才導(dǎo)通。因此在輸入電壓的一個周期內(nèi)，整流二極管的導(dǎo)通時間很短，即導(dǎo)通角很小。這樣整流電路中將出現(xiàn)脈沖尖峰電流，如圖2所示。 這種脈沖尖峰電流如用傅里葉級數(shù)展開，看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會降低電源設(shè)備的使用效率，即功率因數(shù)很低，并會倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。當嚴重時還會引起電網(wǎng)頻率的波動，即交流電源閃爍。解決整流電路中出現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個功率因數(shù)校正（PFC）電路，或差模濾波電感器。圖3是進行過電磁兼容設(shè)計后的電氣原理圖。PFC電路一般為一個并聯(lián)式升壓開關(guān)電源，其輸出電壓一般為直流400 V，沒有經(jīng)

3、功率因數(shù)校正之前的電源設(shè)備，其功率因數(shù)一般只有0.40.6，經(jīng)校正后最高可達到0.98。PFC電路雖然可以解決整流電路中出現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的問題，但又會帶來新的高頻干擾問題，這同樣也要進行嚴格的EMC設(shè)計。用差模濾波電感器可以有效地抑制脈沖電流的高頻成份，從而降低電流諧波干擾。但是在開關(guān)電源電路里，差模電感的體積和重量受到限制，因而提高功率因數(shù)的作用有限。 圖3中的L1為差模濾波電感器，差模濾波電感器一般用硅鋼片材料制作，以提高電感量，為了防止大電流流過差模濾波電感器時產(chǎn)生磁飽和。一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。L1差模濾波電感可根據(jù)試驗求得，也可以根據(jù)下式進行計算：

4、E=Ldidt式中：E為輸入電壓Uin與電容器C5兩端電壓的差值，即L1兩端的電壓降，L為電感量，didt為電流上升率。顯然，要求電流上升率越小，則要求電感量就越大。（2）振鈴電壓的抑制。由于變壓器的初級有漏感，當電源開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電，從而產(chǎn)生阻尼振蕩，即產(chǎn)生振鈴，如圖4所示。 圖4 開關(guān)電源變壓器因漏感產(chǎn)生的振鈴波形 變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢的電壓幅度一般都很高，如不采取保護措施，反電勢常常會把電源開關(guān)管擊穿，同時反電勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會產(chǎn)生很強的電磁輻射，不但對機器本身造成嚴重干擾，對機器周邊環(huán)境也會產(chǎn)生嚴重

5、的電磁干擾。圖3中的D1，R2，C6是抑制反電勢和振鈴電壓幅度的有效電路，當變壓器初級漏感產(chǎn)生反電勢時，反電勢通過二極管D1對電容器C6進行充電，相當于電容器吸收反電勢的能量，從而降低了反電勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后，又會通過R2放電，正確選擇RC放電的時間常數(shù)，使電容器在下次充電時，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度，此時電源的工作效率最高。（3）傳導(dǎo)干擾信號的抑制。圖1中，當電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者截止時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1組成的電路中會產(chǎn)生脈動直流 i1，如果把此電流回路看成是一個變壓器的“初級線圈”。由于電流i1的變化速率很高，它在“初級線圈”中產(chǎn)生的

6、電磁感應(yīng)，也會對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)?？梢园阎車娐范伎闯墒峭蛔儔浩鞯亩鄠€“次級線圈”，同時變壓器T1的漏感也同樣對各個“次級線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用。因此電流i1通過電磁感應(yīng)，在每個 “次級線圈”中都會產(chǎn)生的感應(yīng)電流，分別把它們記為i2，i3，in。其中，i2和i3是差模干擾信號，它們可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。i4是共模干擾信號，它是電流i1回路通過電磁感應(yīng)其他電路與大地或機殼組成的回路產(chǎn)生的，并且其他電路與大地或機殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的，共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路，也是產(chǎn)生

7、共模干擾信號的主要原因。因為在整個開關(guān)電源電路中，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高，最高可達600 V以上，其他電路的電位都比它低，因此電源開關(guān)管V1的集電極與其他電路（也包括電源輸入端的引線）之間存在很強的電場，在電場的作用下，電路會產(chǎn)生位移電流，這個位移電流基本屬于共模干擾信號。圖3中的電容器C1，C2和差模電感器L1對i1，i2和i3差模干擾信號有很強的抑制能力。由于C1，C2在電源線拔出時還會帶電，容易觸電傷人，所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。對共模干擾信號i4要進行完全抑制，一般很困難，特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下，因為在感應(yīng)產(chǎn)生共模干擾信號的回路中，其中的一個“元器件”

8、是線路板與大地之間的等效電容，此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的，進行設(shè)計時對指標要留有足夠的余量。圖2中L2和C3，C4是共模干擾信號抑制電路器件，在輸入功率較大的電路中，L2一般要用兩個，甚至三個，其中一個多為環(huán)形磁心電感。根據(jù)上面分析，產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是i1流過的主要回路，這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，這個回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：e=ddt=SdBdt式中：e為感應(yīng)電動勢；為磁通量；S為電流回路的面積；B為磁感應(yīng)強度，其值與電流強度成正比；ddt為磁通變化率。由此可見，感應(yīng)電動勢與電流回路的面積成正比。因此要減小電磁干擾，首先要設(shè)法減

9、小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響，一方面要求盡量減小變壓器的漏感；另一方面，在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈，通過渦流消耗漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量。（4）輻射干擾信號的抑制。電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都可以看作一根電磁感應(yīng)天線，任何一個電流回路都可以看作一個環(huán)形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過對電路進行合理設(shè)計，或者采取部分屏蔽措施，可以大大減輕電磁干擾的輻射。例如，盡量縮短電路引線

10、的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有效方法；正確使用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每個有源器件獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電（充滿電的電容可以看成是一個獨立電源），防止各電路中的有源器件（放大器）通過電源線和地線產(chǎn)生串擾；把電源引線的地和信號源的地嚴格分開，或?qū)π盘栆€采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽，對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，讓信號線夾在兩條平行地線的中間，這相當于雙回路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果非常顯著；機器或敏感器件采用金屬外殼

11、是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料（如石墨）進行電磁干擾屏蔽。（5）高壓靜電的消除。圖1中，如果輸出電壓高于1000V，必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進行“冷熱地”隔離，由于“熱地”，也叫“初級地”，通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當人體接觸到“初級地”時會“觸電”，所以人們都把“初級地”叫作“熱地”，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構(gòu)成回路，當人體接觸到“次級地”時不會“觸電”。因此，人們都把“次級地” 叫作“冷地”，表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”，其對大地的電位差都不可能是零，即還是會帶電。如彩色電視

12、機中的開關(guān)電源，“熱地” 對大地的電位差，其峰峰值大約有400V；“冷地”對大地的電位差，其峰峰值大約有1500V?！盁岬亍睅щ姳容^好理解，而“冷地”帶電一般人是難以理解的?！袄涞亍睅щ婋妷菏怯勺儔浩鞔渭壆a(chǎn)生的。雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接，但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間。這一點稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知，“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的50，如電視機顯像管的高壓陽極需要大約30000V的高壓，真正的零電位是在高壓濾波電容（顯像管石墨層之間的電容）的中間，或高壓包的中間抽頭處，由此可以求出電視機中冷地與地之間的靜電電壓大約為 15000V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的中間，所以正常情況下“熱地”帶電電壓為整流輸出的50，其峰值約為200V。如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時產(chǎn)生的反電動勢也疊加在其之上，其峰峰值大約有400V。圖3中的R3就是用來降低“冷地”與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷、熱地之間的動態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應(yīng)，或人體觸摸，很容易就會把IC擊穿。EMC常用標準如下：EMC通用系列標準：IEC61000-4-X；工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標準：EN50082-2；脈沖電流諧