開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)

摘要：分析了開關(guān)電源電磁騷擾的機(jī)理，提出相應(yīng)的抑制措施。討論了電磁兼容設(shè)計(jì)中需要加以注意的問題。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁兼容；電磁騷擾；耦合通道

Electromagnetic Compatibility Design of Switching-mode Power Supply

WANG Hui-li

Abstract:The machanism of electromagnetic disturbance in switching-mode power supply is analysed,and the suppressing metheds are presented.A few key points of EMC design are discussed.

Keywords:Switching mode power supply; Electromagnetic compatibility; EMD; Coupling path

中圖分類號：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0219－2713(2003)04－0152－04

1 引言

電磁兼容是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMD是指電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，EMS則是指電氣產(chǎn)品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設(shè)備，應(yīng)該既不受周圍電磁環(huán)境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。

開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（30MHz）是比較低的。多數(shù)小功率開關(guān)電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于30MHz電磁場對應(yīng)的波長（空氣介質(zhì)中約為10m），開關(guān)電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時(shí)，主要考慮的是傳導(dǎo)騷擾。

2 電磁騷擾

討論電磁騷擾一般是從騷擾源的特性，騷擾的耦合通道特性和受擾體的特性三個(gè)方面來進(jìn)行的。

2.1 開關(guān)電源中的主要電磁騷擾源

開關(guān)電源中的電磁騷擾源主要有開關(guān)器件、二極管和非線性無源元件；在開關(guān)電源中，印制板布線不當(dāng)也是引起電磁騷擾的一個(gè)主要因素。

2.1.1 開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾

對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是

1）開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

2）脈沖變壓器初級線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

2.1.2 二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾

主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強(qiáng)度大，頻帶寬。整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于電源中的功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

2.1.3 dv/dt與負(fù)載大小的關(guān)系

功率開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的dv/dt是開關(guān)電源的主要騷擾源。經(jīng)理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載加大，關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大，而負(fù)載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|dv/dt|不同，從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。

2.2 開關(guān)電源電磁噪聲的耦合通道

描述開關(guān)電源和系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾的耦合通道有兩種方法：

1）將耦合通道分為共模通道和差模通道；

2）采用系統(tǒng)函數(shù)來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。

本文采用第一種方法進(jìn)行論述。

2.2.1 共模和差模騷擾通道

開關(guān)電源在由電網(wǎng)供電時(shí)，它將從電網(wǎng)取得的電能變換成另一種特性的電能供給負(fù)載。同時(shí)開關(guān)電源又是一噪聲源，通過耦合通道對電網(wǎng)、開關(guān)電源本身和其它設(shè)備產(chǎn)生騷擾，通常多采用共模和差模騷擾加以分析。

“共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致，其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾。

“差模騷擾”是指大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或?qū)ΨQ騷擾。是載流體之間的騷擾。

共模騷擾說明騷擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種騷擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的，|di/dt|也產(chǎn)生一定的共模騷擾。但是，在低壓大電流的開關(guān)電源中，共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的還是由|di/dt|產(chǎn)生的，需要進(jìn)一步研究。

在頻率不是很高的情況下，開關(guān)電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實(shí)質(zhì)上構(gòu)成一多輸入多輸出的電網(wǎng)絡(luò)，而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種處理方法，這種處理方法在某種場合還比較合適。但是，將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性，雖然能測量出共模分量和差模分量，但共模分量和差模分量是由哪些元器件產(chǎn)生的，的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述開關(guān)電源騷擾的耦合通道，即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關(guān)系，建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的結(jié)果，如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等，都可用來研究開關(guān)電源的EMD的調(diào)試和預(yù)測。但是，用系統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道，還需要做很多工作。

2.2.2 雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

在傳導(dǎo)騷擾頻段（小于30MHz）范圍內(nèi)，多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時(shí)，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時(shí)，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。

3 電磁騷擾的抑制

對開關(guān)電源的EMD的抑制措施，主要是

1）減小騷擾源的騷擾強(qiáng)度；

2）切斷騷擾傳播途徑。

為了達(dá)到這個(gè)目的，主要從選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)?；采用正確的接地、屏蔽、濾波措施；設(shè)計(jì)合理的元器件布局及印制板布線等幾個(gè)方面考慮。

3.1 減小開關(guān)電源本身的騷擾

減小開關(guān)電源本身的騷擾是抑制開關(guān)電源騷擾的根本，是使開關(guān)電源電磁騷擾低于規(guī)定極限值的有效方法。

1）減小功率管通、斷過程中產(chǎn)生的騷擾

上面分析表明，開關(guān)電源的主要騷擾是來自功率開關(guān)管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開關(guān)電源騷擾的重要方面。人們通常認(rèn)為軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通、斷的dv/dt。但是，目前的一些研究結(jié)果表明軟開關(guān)并不像人們預(yù)料的那樣，可以明顯地減小開關(guān)電源的騷擾。沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟開關(guān)變換器在EMC性能方面明顯地優(yōu)于硬開關(guān)變換器。

有文獻(xiàn)系統(tǒng)地研究了PWM反激式變換器、準(zhǔn)諧振零電流變頻開關(guān)正激變換器、多諧振零電壓變頻開關(guān)反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關(guān)正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關(guān)反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EMD特性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關(guān)變換器的EMD電平最低。

因此，采用軟開關(guān)電源技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關(guān)電源的EMD水平有一定的改善。