开关电源的电磁兼容性设计

• 传统电源的优劣性能。

• 开关电源的电磁干扰源。

• 电磁兼容性设计的介绍。

• 根据反馈回路信息控制开关的开合调整占空比获得稳定电源输出。

• 采用适当的EMI滤波器抑制共模骚扰。

• 通过缓冲和钳位的方法克服反向尖峰电流和尖峰电压。

• 新接地技术分离噪声源和敏感电路。

电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。早年的线性稳压电源因其优良的稳压性能、非常小的输出纹波电压等优点而获得了广泛的应用。但是其必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管功率损耗大，致使电源体积和重量大，效率低下。开关电源采用更高开关频率的功率管替代工频变压器，并且采用软开关、功率因数补偿等技术使得其体积小，重量轻，效率更高，在中、小功率的市场已经代替了线性稳压电源的地位。但是，干扰问题却随之而来。由于开关电源的工作频率比较高(几十到几百kHz)，开关电源本身又是一个很强的功率源，因此，开关电源对电网会造成污染。开关电源向周围空间的辐射骚扰、开关电源对同一电网中其他用电设备的高频传导干扰等电磁兼容方面的问题成了阻碍开关电源进一步推广发展的绊脚石。

20世纪90年代中期以来，世界各国从保护环境和保护人的身体健康出发，先后发展了强制性产品认证，电子和电气产品的电磁兼容性问题受到了制造商和消费者的高度重视，产品的电磁兼容性也成了产品进入世界市场大门的通行证，而开关电源的电磁兼容性更是首当其冲。因此，只有在电源设计的过程中，严格地进行电磁兼容性设计才能保证生产出满足电磁兼容性要求的合格产品，使产品能够在世界各国市场畅通无阻，被消费者接受。

电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。其包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。EMI是指电器产品向外发出干扰。EMS是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备应既不受周围电磁噪声的影响，也不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合途径和敏感设备。因此，电磁兼容性设计的任务就可以概括为：削弱干扰源的能量，隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力。

本文以电动冲击钻的充电电源电路设计过程为例，讨论开关电源的电磁干扰源和电磁兼容性设计内容。

本电源采用美国Power Integrate(PI)公司TOPSwitch GX246Y集成电源模块。该模块将高电压功率MOSFET、脉宽调制控制、故障保护以及其他的控制电路集成在单片CMOS芯片上，属于低成本、高灵活性的智能功率开关，具有如下突出特点：
(1)外部可编程精确限流；
(2)更宽的占空比使得输出功率更大，输入电容减小；
(3)具有欠压、过压保护功能；
(4)输入电压前馈技术缩小了最大占空比Dmax，抑制了脉动纹波，并在输入线电压较高时限制Dmax；
(5)频率抖动功能减少了电磁干扰以及相应的滤波器损耗；
(6)l32 kHz的开关频率减少了变压器的尺寸，从而减小了电源的尺寸；
(7)空载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，降低了能量损耗。
利用PI公司提供的PI Expert软件做成的电源模块结构图如图1所示。
 
该电路首先将工频电流整流成为直流，再通过高频变压器把原边的电压耦合到副边，输出+18V/3A的电压和电流。TOPSwitch GX246Y根据反馈回路信息控制开关的开合，调整占空比，使电源获得稳定可靠的输出。

此电路产生电磁干扰的最基本原因是其在工作的过程中产生了非常高的di/dt和du/dt。所产生的浪涌电流和尖峰电压形成了强烈干扰源。工频整流滤波使用大容量电容充、放电，开关管高频通断，输出整流二极管的反向恢复都是属于这种类型干扰。另外，开关管的驱动波形，MOSFET漏源波形等开关电源中的电压、电流波形都是接近矩形波形状的周期波，因此，其频率都是MHz级别的，这些高频信号对开关电源的基本信号，特别是控制电路的信号造成干扰。

在输入电路中，整流桥4个整流管(图1中的EMI＆Rectify部分)只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通，电流才从市电电源输入，并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压，整流管便截止。所以，输入电路的电流是脉冲性质的，并且有着丰富的高次谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性，整流桥交流侧的电流严重失真。

忽略换流过程和电流脉动的影响，整流电路交流侧输入电流in的第n次谐波电流的幅值Inm可表示为Inm=Ilm，式中：n=2k±l(k=l，2，3…)；Ilm为基波电流幅值，于是交流侧电流in可表示为
 
而直流侧的谐波次数是n倍。所以，整流电路直流侧高次谐波电流不仅使电路产生畸变功率，增加电路的无功功率，而且高频谐波会沿着传输线路产生传导干扰和辐射干扰，危害电网安全。

开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够高的幅度，那么很有可能把TOPwitch GX246Y内的开关管击穿。

高频变压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件，可惜的是它的漏感和分布电容对电路的电磁兼容性性能带来不可忽略的影响。漏感的影响在开关电路的电磁干扰问题上已经讨论。共模干扰是一种相对大地的干扰，所以不会通过变压器“电生磁和磁生电”的机理来传递，而必须通过变压器绕组间的耦合电容来传递。而在开关电源的高频变压器初次级之间存在着分布电容是个不争的事实。用一个装置电容(装置对地的分布电容)来与整个开关电源等效，就得到了如图2所示的干扰通道。
 
共模干扰通过变压器的耦合电容，经过装置电容再返回大地，就得到一个由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器。共模电压就按照分压器中电容量的大小来分压，分到的电压为
 
式中：Z为绕组间的耦合阻抗；Z2为负载对地的等效阻抗；e1为初级干扰(共模电压)；e2为次级干扰(共模电压)。

脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。

开关电源工作时，副边整流电路的高速恢复二极管也处于高频通断状态。由高频变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容也构成了高频开关电流的环路。因此，同样有可能对空间形成电磁辐射。
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当二极管正向导通时，在P区和N区分别有少数载流子电子和空穴导电，当突然加反向电压时，储存电荷在反向电场作用下被复合，形成反向恢复电流，尽管电流非常小，但是这个转变过程非常短暂，因此，di/dt相当可观，就会在副边整流电路中形成高频衰减振荡。它会对外界形成差模辐射，甚至导致整流二极管被击穿。

开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式，根据前面分析的电磁干扰源，结合它们的耦合途径，可以从EMI滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰，把电磁干扰衰减到允许限度之内。

采用适当的EMI滤波器，可以很有效地抑制交流电源输入端的低频段差模骚扰和高频段共模骚扰。在EMI滤波器(如图3所示)中，差模电容Cx用来短路差模噪声电流，而中间连线接地的共模电容Cy则用来短路共模噪声电流。共模扼流圈L(电感)是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成。当负载电流流过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。因此，即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。
 

开关管或二极管在开通和关断过程中，管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压，可以通过缓冲和钳位的方法予以克服。缓冲吸收电路可以减少尖锋电压的幅度和减少电压波形的变化率，这对于半导体器件使用的安全性非常有好处。与此同时，缓冲吸收电路还降低了射频辐射的频谱成分，有益于降低射频辐射的能量。箝位电路主要用来防止半导体器件和电容器被击穿的危险。兼顾箝位电路保护作用和开关电源的效率要求，TVS管的击穿电压选择为初级绕组感应电压的1.5倍。根据TopSwitch的使用指导，选择RCD和TVS结合的方式来抑制电磁干扰，如图4所示。
 
当TVS上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅值限制在一定的幅度。在开关管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱和磁芯线圈或微晶磁珠，材质一般为钴(Co)，当通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小。一旦电流要反向流过时，它将产生很大的反电势，这样就能有效地抑制二极管D2的反向浪涌电流。

在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感越大，产生的尖峰电压幅值愈高，漏极箝位电路的损耗就越大，这必然导致电源效率降低。减小漏感可以采取以下措施：
(1)减少原边绕组的匝数；
(2)增大绕组的宽度；
(3)增加绕组的高、宽比；
(4)减小各绕组之问的绝缘层；
(5)增加绕组之间的耦合程度。屏蔽是抑制开关电源辐射骚扰的有效方法，而隔离变压器是共模噪声的另一个主要来源。如图5所示，变压器主要的寄生参数为：漏感LK，绕组间电容CR，交叉耦合电容CTc变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个系统提供了通路。 
 
在变压器的绕制过程中采用法拉第屏蔽(Faraday shield)来减小交叉耦合电容。法拉第屏蔽简单来说就是用铜箔或铝箔包绕在原边绕组和副边绕组之间，形成一个静电屏蔽层隔离区，并接地，其中原边绕组和副边绕组如图6所示交错绕制，以减小交叉耦合电容。

图6中N1A、N1B是原边绕组，分两次绕；N2A、N2B是副边绕组；N3、N4分别是辅助绕组；SCREEN为铜箔屏蔽。安规上一般要求散热器接地，那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声提供了通路，可以在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。
 

开关电源同样也需要重视地线的连接，地线承担着参考电平的重任，特别是控制电路的参考地，如电流检测电阻的地电平和无隔离输出的分压电阻的地电平。控制信号的地电平误差应尽可能的小，因此，采用控制部分一点接地，然后将公共连接点再单点接至功率地。这种接地方式可以使噪声源和敏感电路分离。另外，地线尽量铺宽，对空白区域可敷铜填满，力求尽量降低地电平误差和EMI。

另外，在装置中尽量采用表面贴装元器件，使组装密度更高，体积更小，重量更轻，可靠性更高，高频特性好，减小电磁和射频干扰。

[page] 开关电源的印制电路板设计也是解决开关电源电磁兼容性问题的一个至关重要的方面。在设计中采用了以下措施保证电磁兼容性。

(1)把交流的输入滤波部分，高压整流和滤波部分，高频逆变部分，低压整流输出部分从左到右依次排列布局，使信号方向保持一致，便于生产中检修、调试，并且可以减少信号的环路，使印制电路板的平面与磁力线相平行，这样交变磁场就不会切割印制电路板平面内的导线，减少电磁干扰。并且把控制电路和功率电路分开，中间采用铝板隔离，防止干扰信号骚扰控制电路。
(2)尽可能地缩小高频大电流电路所包围的面积，缩短高电压元器件的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，特别是易受干扰的元器件不能彼此靠得很近。
(3)缩小控制电路所包围的面积。因为，这部分电路是开关电源中最敏感的部分。缩小其面积，实际上就是减小了干扰“接收天线”的尺寸，有利于降低对外部干扰的响应能力，提高开关电源的电磁兼容性。
(4)有脉冲电路流过的区域远离输出端子，使噪声源于直流输出部分分离；交流输入部分尽量远离输出部分，以避免由于相互间靠得太近，通过线路间的耦合，将原本“干净”的输出由于受到输入部分的电磁骚扰发射而受“污染”。
(5)TOPSwitch GX246Y的漏极连接到变压器和箝位二极管的连接线尽量简短，因为连接线上有很高的开关电压，会引起附加的共模电磁干扰的发射。

试验结果
经过以上电磁兼容性设计，开关电源的输出电压调整率△V0/V0=O.12/12=l％，达到了预期设计要求。图7是纹波电压输出图，图8是其工作时的噪音分析图。
 

结语
如今，开关电源体积越来越小，功率密度越来越大，EMl/EMC问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是最容易忽视的一个方面。实践证明，EMI问题越早考虑，越早解决，费用越小，效果越好。随着各国电磁兼容性标准的加强，电磁兼容性设计在开关电源设计过程中的位置也愈加重要，因此，必须充分重视电磁兼容性设计的作用和重要性。