引言

　　開關電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等許多優(yōu)點，己被廣泛應用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。但開關電源的突出缺點是能產(chǎn)生較強的電磁干擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射后會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質量，使之符合EMC標準，已成為電子產(chǎn)品設計者越來越關注的問題。本文就高頻開關電源設計中的電磁兼容性問題進行了探討。

　　1、開關電源的組成及工作原理

　　1.1、組成

　　開關電源的組成框圖如圖1所示，它由以下幾個部分組成：

　　1）主電路包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波；

　　2）控制與保護電路；

　　3）檢測與顯示電路除了提供保護電路所需的各種參數(shù)外，還提供各種顯示數(shù)據(jù)；

　　4）輔助電源。

　　圖1、開關電源的組成框圖

　　1.2、開關穩(wěn)壓電源原理

　　開關穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。圖2中的開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在K接通時，輸入電源Vin通過K和濾波電路供電給負載RL，當K斷開時，輸入電源Vin便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負載提供能量是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量提供，開關穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。圖2中，由儲能電感L、濾波電容C2和續(xù)流二極管D組成的電路，就具有這種功能。在AB間的電壓平均值VAB可用式（1）表示。

　　VAB=Vinton/T=DVin（1）

　　式中：ton為K導通時間；

　　T為K工作周期；

　　D為占空比，D=ton/T。

　　圖2、開關穩(wěn)壓電源電路原理圖

　　由式（1）可知，改變D，即可改變VAB。因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化調整D便能使輸出電壓Vo維持不變。這種控制方法稱為時間比率控制（Time Ratio Control，縮寫為TRC）。按TRC原理，它有3種方式：

　　1）脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）其開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式；

　　2）脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式；

　　3）混合調制導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的結合。

　　2、開關電源產(chǎn)生電磁干擾的機理

　　開關電源之所以是一個很強的電磁騷擾源，來源于高頻通斷的開關器件和輸出整流二極管，以及脈沖變壓器及濾波電感等。

　　2.1、開關管與整流管

　　開關管、整流管高頻通斷時所產(chǎn)生的dv/dt、di/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是一個很強的騷擾源。

　　2.2、高頻變壓器

　　開關管負載為高頻變壓器初級線圈，在開關管導通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭壘€圈，而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸入、輸出端，形成傳導騷擾，重者有可能擊穿開關管。

　　另外，高頻變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路可能會產(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使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。需要注意的是，二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾中，整流二極管反向恢復電流的|di/dt|遠比續(xù)流二極管反向恢復電流的|di /dt|大得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復電流形成的騷擾強度大，頻帶寬。但是，整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠小于功率開關管導通和關斷時產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

　　2.3、雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

　　在傳導騷擾頻段（<30MHz），多數(shù)開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡來描述的。但是，在開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、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的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時，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，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導的共模騷擾。
　

　　3、電磁兼容設計

　　3.1、輸入端濾波器的設計

　　開關電源產(chǎn)生的噪聲包含共模噪音和差模噪音。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。為此應在電源輸入端加濾波器，濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉變，情況十分復雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示。

　　圖3、電源濾波器

　　圖中：差模抑制電容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

　　差模抑制電感L1，L2100～130μH；

　　共模抑制電容Cy1，Cy2<10000pF；

　　共模抑制電感L15～25mH。

　　插入損耗的定義如圖4所示，當沒接濾波器時，信號源輸出電壓為V1，當濾波器接入后，在濾波器輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為

　　IL=20log（2）

　　設計時，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即f=<10kHz。

　　圖4、插入損耗的定義

　　圖5是差模與共模干擾的示意圖。

　?。╝）差模干擾 （b）共模干擾

　　圖5、差模與共模干擾示意圖

　　在實際使用中，由于設備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，所以，濾波電路可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經(jīng)過EMI試驗后才能有滿意的結果，安裝濾波電路時一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。

　　圖6是兩種濾波電路，它們的濾波效果如圖7實驗曲線所示。

　?。╝）濾波電路1

　?。╞）濾波電路2

　　圖6、兩種濾波電路

　?、贋榧訛V波器電路1②為加濾波電路2

　　圖7、兩種濾波電路效果實驗曲線

　　3.2、輻射EMI的抑制措施

　　要降低輻射干擾，可應用電壓緩沖電路，如在開關管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。

　　功率開關管的集電極是一個強騷擾源，開關管的散熱片應接到集電極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼之間的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的散熱片。整流二極管應采用恢復電荷小，且反向恢復時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的。另外，在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF，電容引線應盡可能短，以減少引線電感。

　　負載電流越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個二極管并聯(lián)來分擔，可以降低短路尖峰電流的影響。

　　開關電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結構，一般用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內。

　　例如，對輻射干擾超過標準限值20dB的某開關電源，采用了如下一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施進行了改進：

　　1）在所有整流二極管兩端并聯(lián)470pF電容；

　　2）在開關管G極的輸入端并聯(lián)50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

　　3）在各輸出濾波電容（電解電容）上并聯(lián)0.01μF電容；

　　4）在整流二極管管腳上套一小磁珠；

　　5）改善屏蔽體的接地。

　　經(jīng)過上述改進后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

　　3.3、傳導騷擾的解決方法

開關電源的傳導騷擾通過輸入電源線向外傳播，既有差模騷擾、又有共模騷擾。傳導騷擾的測試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如表1