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磁珠在开关电源EMC设计中的应用) A; ! & f1 w# l电磁兼容问题已经成为当今电子设计制造中的热点和难点问题。实际应用中的电磁兼容问题十分复杂，绝不是依靠理论知识就能够解决的，它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性这一问题，主要要考虑接地、）电路与PCB板设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在开关电源电磁兼容方面的重要性，以求为开关电源产品设计者在设计新产品时提供更多、更好的选择。% c% o7 I% t$ 7 g9 6 M: A& A1铁氧体电磁干扰抑制元件铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大。对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率和饱和磁通密度Bs。磁导率可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。, t; 9 L) h5 T# v$ |( G在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制；并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。% u+ L8 D9 V. rl% I8 K8 B在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件，就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。! U7 r& 1 & r1 i2 I6 r* h# R4 U1 Zd1 8 E& 7 6 a9 G2磁珠的原理和特性当电流流过其中心孔中的导线时，便会是磁珠内部产生循环流动的磁道。用于EMI控制的铁氧体配制时，应当可以把大部分磁通作为材料中的热散掉。这个现象可以由一个电感器和一个电阻器的串联组合来模拟。如图2所示两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长抑制效果越好。由于信号能量呈磁耦合加到磁珠上，故电感器的电抗与电阻的大小随频率的升高而增大。磁耦合的效率取决于磁珠材料相对于空气的导磁率。通常组成磁珠的铁氧体材料的损耗可以通过其相对于空气的导磁率，表示成一个复数量。磁性材料常常用由此比值 表征出损耗角 。用于EMI抑制元件要求较大的损耗角，这意味着大部分干扰都将被耗散而不被反射。目前出现的各种各样的可用铁氧体材料，为设计人员将磁珠用于不同场合提供了很大的选择余地。7 c# p4 r6 O7 V% C5 r Q% Q y9 x; g0 m- j3磁珠的应用. x/ S4 l H! U, Tr7 Y6 p- 3.1尖峰抑制器开关电源最大的缺点就是容易产生噪声和干扰，这是长期困扰开关电源的一个关键的技术问题。开关电源的噪声主要是由开关功率管和开关整流二级管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。因此采用有效元件把它们限制到最小程度是抑制噪声的主要方法之一。通常采用非线性饱和电感来抑制反向恢复电流尖峰，此时铁芯的工作状态是从-Bs到+Bs。根据在开关电源续流二极管上的高磁导率与可饱和性的超小型电感元件磁珠特性的一致性，开发出用来抑制开关电源开关时产生的峰值电流的尖峰抑制器。/ ?7 c4 q P( V. ( o尖峰抑制器的性能特点：0 U3 ; - S w（1） 初始和最大电感值很高，饱和后残余电感值非线性极不明显。串联接入回路后，电流升高瞬间显示出高阻抗，可以作为所谓的瞬间阻抗元件使用。% gA4 1 _* R, q8 G. L7 |（2） 适用于防止半导体回路中瞬态电流峰值信号、冲击激励电路和由此而伴生的噪声，还可以防止半导体损坏。 l H- g6 x+ （3） 剩余电感极小，电路稳定时损耗很小。（4） 与铁氧体制品的性能绝然不同。（5） 只要避免磁饱和，可作为超小型、高电感的电感元件使用。（6） 可以作为低损耗的高性能可饱和铁芯用于控制和产生振荡。尖峰抑制器要求铁芯材料具有较高的磁导率，以得到较大的电感量；高矩形比可使铁芯饱和时，电感量应迅速下降到零；矫顽力小、高频损耗低,否则铁芯放热不能正常工作。尖峰抑制器用途主要表现在减小电流尖峰信号；降低由于电流峰值信号引起的噪声；防止开关晶体管的损坏；减低开关晶体管的开关损耗；补偿二极管的恢复特性；防止高频脉冲电流冲击激励。 作为超小型的线路滤波器使用等方面。 3.2在滤波器中的应用a)不加磁珠测试结果0 i. B* a0 p, R8 fb)加磁珠测试结果) P7 l$ E2 y7 |c)L线加磁珠测试结果+ c5 D+ c% o5 - G9 k u/ Id) N线加磁珠测试结果普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，造成干扰电平的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套，利用滋环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。4 R % F/ . h ( I5 Q基于以上磁珠原理和特性，应用在开关电源的滤波器中，收效明显。从测试结果便可看到应用磁珠的明显不同。由实验结果看到，由于开关电源电路、结构布局、功率的影响，有时对差模干扰有很好的抑制作用，有时对共模干扰有很好的抑制作用，有时对干扰起不到抑制作用反而会增加噪声干扰。; l/ r9 $ H9 z k- ls) O0 k8 0 l# P( s YEMI吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时，通过它的电流值正比于其体积，两者失调造成饱和，降低了元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线（正负）同时穿过一个磁环，有效信号为差模信号，EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响，而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下，以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理，合理使用它的抑制作用。* q, X% I4 f! d3 E9 B铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入输出电路，应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器，除了应选用高磁导率的有耗材料外，还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百，因此它在高阻抗电路中的作用并不明显，相反，在低阻抗电路（如功率分配、电源或射频电路）中使用将非常有效。/ z4 r( M, C) 8 Q) O+ O6 1 zO5 q3 F( 4结束语* d: C0 A0 S5 . Y: 由于铁氧体可以衰减较高频同时让较低频几乎无阻碍地通过，故在EMI控制中得到了广泛地应用。用于EMI吸收的磁环/磁珠可制成各种的形状，广泛应用于各种场合。如在PCB板上，可加在DC/DC模块、数据线、电源线等处。它吸收所在线路上高频干扰信号，但却不会在系统中产生新的零极点，不会破坏系统的稳定性。它与电源滤波器配合使用，可很好的补充滤波器高频端性能的不足，改善系统中滤波特性。广大开关电源专业研究人员，应充分发挥技术优势，把磁环、磁珠等铁氧体材料灵活应用到开关电源的开发中去，使其在开关电源设计中发挥更大的作用，以提高产品的电磁兼容性，并且减小体积、降低成本。安全距离包括电气间隙（空间距离），爬电距离（沿面距离）和绝缘穿透距离* T3 N a- Y G* m& F3 f1、电气间隙：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。! a2 K3 Y3 T( ?( y2、爬电距离：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离。电气间隙的决定：5 L H! W- Z& w根据测量的工作电压及绝缘等级，即可决定距离6 O1 E7 k0 E( 2 Z4 z9 一次侧线路之电气间隙尺寸要求，见表3及表4 W: Z; B& b1 Z9 g4 L二次侧线路之电气间隙尺寸要求见表5但通常：一次侧交流部分：保险丝前LN2.5mm，L.N PE（大地）2.5mm，保险丝装置之后可不做要求，但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。一次侧交流对直流部分2.0mm一次侧直流地对大地2.5mm （一次侧浮接地对大地）0 b1 N/ - a: Q2 J6 q- E一次侧部分对二次侧部分4.0mm，跨接于一二次侧之间之元器件二次侧部分之电隙间隙0.5mm即可二次侧地对大地1.0mm即可, n/ + ? w4 b附注：决定是否符合要求前，内部零件应先施于10N力，外壳施以30N力，以减少其距离，: Q0 T# q& r# 使确认为最糟情况下，空间距离仍符合规定。6 lz- E y, Z& g: y爬电距离的决定：; D2 _/ # u5 % i, a根据工作电压及绝缘等级，查表6可决定其爬电距离但通常：（1）、一次侧交流部分：保险丝前LN2.5mm，L.N 大地2.5mm，保险丝之后可不做要求，但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。2）、一次侧交流对直流部分2.0mm（3）、一次侧直流地对地4.0mm如一次侧地对大地) O0 b; M0 M V$ X: z4）、一次侧对二次侧6.4mm，如光耦、Y电容等元器零件脚间距6.4mm要开, n4 a5 * g, hC4 T% 槽。5）、二次侧部分之间0.5mm即可（6）、二次侧地对大地2.0mm以上5 E! F; T, ?n+ z（7）、变压器两级间8.0mm以上- w( j* c. G: Z( s7 l1 p3、绝缘穿透距离：应根据工作电压和绝缘应用场合符合下列规定：( d- R& N% |& t; w; R对工作电压不超过50V（71V交流峰值或直流值），无厚度要求；- M1 o0 a2 C8 X9 B2 Y附加绝缘最小厚度应为0.4mm；当加强绝缘不承受在正常温度下可能会导致该绝缘材料变形或性能降低的任何机械应力时的，则该加强绝缘的最小厚度应为0.4mm。; X Z$ X/ B b# $ R# J( 5 f如果所提供的绝缘是用在设备保护外壳内，而且在操作人员维护时不会受到磕碰或擦伤，并且属于如下任一种情况，则上述要求不适用于不论其厚度如何的薄层绝缘材料；对附加绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对附加绝缘的抗电强度试验；或者：由三层材料构成的附加绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过附加绝缘的抗电强度试验；或者：对加强绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对加强绝缘的抗电强度试验；或者：由三层绝缘材料构成的加强绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过加强绝缘的抗电 g/ u& P: C! $ j: w强度试验。4、有关于布线工艺注意点：如电容等平贴元件，必须平贴，不用点胶如两导体在施以10N力可使距离缩短，小于安规距离要求时，可点胶固定此零件，保证其电气间隙。- B Z( s& m/ _9 B4 C$ E有的外壳设备内铺PVC胶片时，应注意保证安规距离（注意加工工艺）零件点胶固定注意不可使PCB板上有胶丝等异物。在加工零件时，应不引起绝缘破坏。- D! O X) |* X; p- c( 5、有关于防燃材料要求：热缩套管 V1或VTM2以上；PVC套管V1或VTM2以上铁氟龙套管 V1或VTM2以上；塑胶材质如硅胶片，绝缘胶带V1或VTM2以上 PCB板 94V1以上8 l b7 N0 V+ w5 N: Q6、有关于绝缘等级（1）、工作绝缘：设备正常工作所需的绝缘（2）、基本绝缘：对防电击提供基本保护的绝缘: s X V0 E2 E6 O6 Om（3）、附加绝缘：除基本绝缘以外另施加的独立绝缘，用以保护在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击（4）、双重绝缘：由基本绝缘加上附加绝缘构成的绝缘, E! A) A o* ) V: |7 |; R（5）、加强绝缘：一种单一的绝缘结构，在本标准规定的条件下，其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘2 O. f4 X2 T* l, _7 C6 _, v$ T各种绝缘的适用情形如下： A、操作绝缘oprational insulationa、介于两不同电压之零件间b、介于ELV电路（或SELV电路）及接地的导电零件间。 B、基本绝缘basic insulationa、介于具危险电压零件及接地的导电零件之间；b、介于具危险电压及依赖接地的SELV电路之间；c、介于一次侧的电源导体及接地屏蔽物或主电源变压器的铁心之间；; x0 p# p M% N) H 5 Cd、做为双重绝缘的一部分。C、补充绝缘supplementary insulationa、一般而言，介于可触及的导体零件及在基本绝缘损坏后有可能带有危险电压的零件之间如：# K4 M6 i/ % s f、介于把手、旋钮，提柄或类似物的外表及其未接地的轴心之间。、介于第二类设备的金属外壳与穿过此外壳的电源线外皮之间。# I% ( $ _; s% h、介于ELV电路及未接地的金属外壳之间。 c! S4 e9 n8 ; l5 Tb、做为双重绝缘的一部分/ s/ k0 S! $ O4 L0 8 jD、双重绝缘 Double insulationReinforced insulation$ W$ M4 oT2 C1 O o , ?一般而言，介于一次侧电路及a、可触及的未接地导电零件之间，或7 v, N) W% w; y+ s; C5 Y0 . Rb、浮接（floating）的SELV的电路之间或: r8 4 g6 n/ Sc、TNV电路之间双重绝缘=基本绝缘+补充绝缘) Lq5 R6 C0 o& Ai9 T注：ELV线路：特低电压电路在正常工作条件下，在导体之间或任一导体之间的交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的二次电路。 B/ I% h7 T+ HSELV电路：安全特低电压电路。作了适当的设计和保护的二次电路，使得在正常条件下或单一故障条件下，任意两个可触及的零部件之间，以及任意的可触及零部件和设备的保护接地端子（仅对I类设备）之间的电压，均不会超过安全值。; Q+ J2 H7 j iTNV：通讯网络电压电路在正常工作条件下，携带通信信号的电路。一：DC/DC变换器内部噪声干扰源分析1二极管的反向恢复引起噪声干扰在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等，由于这些二极管都工作在开关状态，如图所示，在二极管由阻断状态到导通工作过程中，将产生一个很高的电压尖峰VFP；在二极管由导通状态到阻断工作过程中，存在一个反向恢复时间trr，在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰VRP，由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流IRP，这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。2开关管开关动作时产生电磁干扰5 u6 V4 N$ P6 在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰，在反激变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少。开关管在开通时，由于开关时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的dV/dt突变和很高的尖峰电压，在开关管的关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di/dt突变和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。0 d0 _* z/ N+ ?& T0 W* X3电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰：在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次边；功率变压器由于绕制工艺等原因，原次边耦合不理想而存在漏感，漏电感将产生电磁辐射干扰，另外功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频电磁场；电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时当它工作在饱和状态时，将会产生电流突变，这些都会引起电磁干扰；4控制电路中周期性的高频脉冲信号如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。5此外电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等。6开关电源中的布线设计非常重要，不合理布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上，从而影响其它电路的正常工作。/ Y6 E9 t# a& u) G; RE7热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。二，外界的电磁干扰. L( z, ?W0 $ T对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括：电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电，以及周围的高频发射设备引起的干扰。三，电磁干扰的后果$ v$ L) r3 e, z) : u* _电磁干扰将造成传输信号畸变，影响设备的正常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁干扰，严重时会损坏设备。而对于某些设备，电磁辐射会引起重要信息的泄漏。! k ?! C% Z* x1 3 % O四，开关电源的电磁兼容设计了解了开关电源内部及外部电磁干扰源后，我们还应知道，形成电磁干扰机理的三要素是还有传播途径和受扰设备。因此开关电源的电磁兼容设计主要从以下三个方面入手：1，减小干扰源的电磁干扰能量；2，切断干扰传播途径；3，提高受扰设备的抗干扰能力。正确了解和把握开关电源的电磁干扰源及其产生机理和干扰传播途径，对于采取何种抗干扰措施以使设备满足电磁兼容要求非常重要。由于干扰源有开关电源内部产生的干扰源和外部的干扰源，而且可以说干扰源无法消除，受扰设备也总是存在，因此可以说电磁兼容问题总是存在。下面以隔离式DC/DC变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计：% |) x$ # G/ S. k, W8 c1. DC/DC变换器输入滤波电路的设计如图所示，FV1为瞬态电压抑制二极管，RV1为压敏电阻，都具有很强的瞬变浪涌电流的吸收能力，能很好的保护后级元件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流EMI滤波器，必须良好接地，接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离，才能有效的切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1、C1组成低通滤波电路，当L1电感值较大时，还需增加如图所示的V1和R1元件，形成续流回路吸收L1断开时释放的电场能，否则L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰，电感L1所使用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰，C1的容量较大为好，这样可以减小输入线上的纹波电压，从而减小输入导线周围形成的电磁场。?3 ?. x; d9 Y+ U$ o: 4 J# A- r. E# E2.高频逆变电路的电磁兼容设计，如图所示，C2、C3、V2、V3组成的半桥逆变电路，V2、V3为IGBT、MOSFET等开关元件，在V2、V3开通和关断时，由于开关时间很快以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di/dt、dv/dt突变，从而形成电磁干扰，为此在变压器原边两端增加R4、C4构成的吸收回路，或在V2、V3两端分别并联电容器C5、C6，并缩短引线，减小ab、cd、gh、ef的引线电感。在设计中，C4、C5、C6一般采用低感电容，电容器容量的大小取决于引线电感量、回路中电流值以及允许的过冲电压值的大小，LI2/2=CV2/2公式求得C的大小，其中L为回路电感，I为回路电流，V为过冲电压值。: ; D+ S2 * 1 g2 v2 o7 w为减小V，就必须减小回路引线电感值，为此在设计时常使用一种叫“多层低感复合母排”的装置，由我所申请专利的该种母排装置能将回路电感降低到足够小，达10nH级，从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。从电磁兼容性设计角度考虑，应尽量降低开关管V2、V3的开关频率,从而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS软开关变换技术能有效降低高频逆变回路的电磁干扰。在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的根本，因此尽可能选用产生电磁噪声小的电路拓扑，如在同等条件下双管正激拓扑比单管正激拓扑产生电磁噪声要小，全桥电路比半桥电路产生电磁噪声要小。如图所示增加吸收电路后开关管上的电流、电压波形与没有吸收回路时的波形比较。 E# a( S5 L+ _3.高频变压器的电磁兼容设计在高频变压器T1的设计时，尽量选用电磁屏蔽性较好的磁芯材料。+ n8 d+ + A1 3 . f* y如图所示，C7、C8为匝间耦合电路，C11为绕组间耦合电容，在变压器绕制时，尽量减小分布电容C11，以减小变压器原边的高频干扰耦合到次边绕组。另外为进一步减小电磁干扰，可在原、次边绕组间增加一个屏蔽层，屏蔽层良好接地，这样变压器原、次边绕组对屏蔽层间就形成耦合电容C9、C10，高频干扰电流就通过C9、C10流到大地。由于变压器是一个发热元件，较差的散热条件必然导致变压器温度升高，从而形成热辐射，热辐射是以电磁波形式对外传播，因此变压器必须有很好的散热条件。通常将高频变压器封装在一个铝壳盒内，铝盒还可安装在铝散热器上，并灌注电子硅胶，这样变压器即可形成较好的电磁屏蔽，还可保证有较好的散热效果，减小电磁辐射。5 E3 Ut- U J$ s2 O* M5.输出整流电路电磁兼容设计如图所示为输出半波整流电路，V6为整流二极管，V7为续流二极管，由于V6、V7工作于高频开关状态，因此输出整流电路的电磁干扰源主要是V6和V7，R5、C12和R6、C13分别连接成V6、V7的吸收电路，用于吸收其开关动作时产生的电压尖峰，并以热的形式在R5、R6上消耗。7 F$ s& eG$ U6 uW: d( ?减少整流二极管的数量就可减小电磁干扰的能量，因此同等条件下，采用半波整流电路比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。为减小二极管的电磁干扰，必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小、反向恢复时间短的二极管器件。从理论上讲，肖特基势垒二极管（SBD）是多数载流子导流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰，但实际上对于较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复电流会增大，也会产生电磁噪声。因此在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管作直流二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管器件要小。6.输出直流滤波电路的电磁兼容设计1 G/ j8 V4 g* e6 E输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播，减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。如图所示，L2、C17、C18组成的LC滤波电路，能减小输出电流、电压纹波的大小，从而减小通过辐射传播的电磁干扰，滤波电容C17、C18尽量采用多个电容并联，减小等效串联电阻，从而减小纹波电压，输出电感L2值尽量大，减小输出纹波电流的大小，另外电感L2最好使用不开气隙的闭环磁芯，最好不是饱和电感。在设计时，我们要记住，导线上有电流、电压的变化，在导线周围就有变化的电磁场，电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。& 2 Z0 i h7 H. l6 TC19用于滤除导线上的共模干扰，尽量选用低感电容，且接线要短，C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰，宜选用低感的三端电容，且接地线要短，接地可靠。; A1 w; z- y% f( r/ Y( |3 |. Z3为直流EMI滤波器，根据情况使用或不使用，是采用单级还是多级滤波器，但要求Z3直接安装在金属机箱上，最好滤波器输入、输出线能屏蔽隔离。7.接触器、继电器等其它开关器件电磁兼容设计3 y J g7 q( / K0 d* E$ u$ p继电器、接触器、风机等在掉电后，其线圈将产生较大的电压尖峰，从而产生电磁干扰，为此在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路，在交流线圈两端并联一个压敏电阻用于吸收线圈掉电后产生的电压尖峰。同时要注意如果接触器线圈电源与辅助电源的输入电源为同一个电源，之间最好通过一个EMI滤波器。继电器触头动作时也将产生电磁干扰，因此要在触头两端增加RC吸收回路。8.开关电源箱体结构的电磁兼容设计材料选择：没有“磁绝缘”材料，电磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，来切断电磁干扰在设备内部与外界空气中的传播路径。在进行开关电源的箱体结构设计时，要充分考虑对电磁干扰的屏蔽效能，对于屏蔽材料的选择原则是，当干扰电磁场的频率较高时，选用高电导率的金属材料，屏蔽效果较好；当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的金属材料，屏蔽效果较好；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用高电导率和高导磁率的金属材料组成多层屏蔽体。孔洞、缝隙、搭接处理方法：采用电磁屏蔽方法无需重新设计电路，便可达到很好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽体是一个无缝隙、无孔洞、无透入的导电连续体，低阻抗的金属密封体，但是一个完全密封的屏蔽体是没有实用价值的，因为在开关电源设备中，有输入、输出线过孔、散热通风孔等孔洞，以及箱体结构部件之间的搭接缝隙，如果不采取措施将会产生电磁泄漏，使箱体的屏蔽效能降低、甚至完全丧失。因此在开关电源箱体设计时，金属板之间的搭接最好采用焊接，无法焊接时要使用电磁密封垫或其它的屏蔽材料，箱体上的开孔要小于要屏蔽的电磁波的波长的1/2，否则屏蔽效果将大大降低；对于通风孔，在屏蔽要求不高时可以使用穿孔金属板或金属化丝网，在要求既要屏蔽效能高，又要通风效果好时选用截至波导管等方法，提高屏蔽体的屏蔽效能。如果箱体的屏蔽效能仍无法满足要求时，可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了对开关电源整个箱体的屏蔽之外，还可以对电源设备内部的元件、部件等干扰源或敏感设备进行局部屏蔽。在进行箱体结构设计时，针对设备上所有会受到静电放电试验的部分，设计出一条低阻抗的电流泄放路径，箱体必须有可靠的接地措施，并且要保证接地线的载流能力，同时将敏感电路或元件远离这些泄放回路，或对其采用电场屏蔽措施。对于结构件的表面处理，一般主要电镀银、锌、镍、铬、锡，这需要从导电性能、电化学反应、成本及电磁兼容性等多方面考虑后做出选择。9.元器件布局与布线中的电磁兼容设计：: U& X0 z9 v g# O+ IY2 t对于开关电源设备内部元器件的布局必须整体考虑电磁兼容性的要求，设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径影响其它元件或部件的工作，研究表明，在离干扰源一定距离时，干扰源的能量将大大衰减，因此合理的布局有利于减小电磁干扰的影响。; |4 Z W) 1 W8 B$ y. EMI输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入口处，并保证其输入线与输出线电磁环境的屏蔽隔离。敏感电路或元件要远离发热源。/ w3 R6 X) U# d对于开关电源产品，我们一般须遵守以下布线原则：9.1主电路输入线与输出线分开走线。9.2 EMI滤波器输入线与输出线分开走线。; G5 w- ! ( j: F: c7 U+ _9.3主电路线与控制信号线分开走线。 j8 m O! h+ / N* X9.4高压脉冲信号线最好分开单独走线。$ D: # M# Y) r9 A: L: y9.5分开布线的原则是避免平行走线，可以垂直交叉，线束之间距离在20mm以上。9.6电缆不要贴着金属外壳和散热器走线，保证一定距离。9.7双绞线、同轴电缆及带状电缆在EMC设计中的使用双绞线、同轴电缆都能有效的抑制电磁干扰。在脉冲信号传输线路中常使用双绞线，控制辅助电源线和传感器信号线最好用双绞屏蔽线。因为双绞线两根线之间有很小的回路面积，而且双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有大小相等、方向相反，产生的磁场相互抵消，这样就可以减小因辐射引起的差模干扰，不过双绞线绞合的圈数最好为偶数，且每单位波长所绞合的圈数愈多，消除耦合的效果愈好。使用时注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地，只能单端接地，而对屏蔽线，屏蔽层两端接地能既能屏蔽电场还能屏蔽磁场，单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时还要注意，其屏蔽层必须完全包覆信号线接地，即接头与电缆屏蔽层必须3600搭接，才能有效屏蔽电磁场，如图4所示，信号线裸露部分仍可以与外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。S. u. S* e x uk1 o8 X带状电缆适合于短距离的信号传输，我们知道为了降低差模信号的电磁辐射，必须减小信号线和信号回流线所形成的回路面积，因此在设计带状电缆布局时，最好将信号线与接地线间隔排列。如图3所示，其中S为信号线，G为信号地线。8 _ 0 P) g& ; 10元器件的选择; y; I+ T/ Mx热传播的方式有传导、对流和辐射，热辐射是以电磁波的形式向空中传播的，热传导也会向周围其它元件传导热量，这些都会影响其它元器件或电路的正常工作，因此从元器件热设计方面考虑要尽量留有较大余量，以降低元器件的温升及器件表面的温度，除元器件对温升有特殊要求外，一般开关电源要求内部元件温度小于90，内部环境温度不超过65，以减小热辐射干扰。 y/ j7 h3 |) K. h) U( Q对数字集成电路，从电磁兼容性角度看应多选用高噪声容限的CMOS器件代替低噪声容限的TTL器件。尽量使用低速、窄带元件和电路。选用分布电感较小的SMP元件，选用高频特性好、等效串联电感低的陶瓷介质电容器、高频无感电容器、三端电容器和穿心电容器等作滤波电容。11.控制电路及PCB的电磁兼容设计信号地是指信号电流流回信号源的一条低阻抗路径。在设计中往往由于接地方法不恰当而产生地环路干扰和公共阻抗耦合干扰。因此要合理选用接地方式，接地的方式有单点接地、多点接地和混合接地。2 8 X5 m, tD+ t, c A: o+ O地环路干扰：常发生在通过较长电缆连接，地相距较远的设备之间。原因是由于地环路电流的存在，使两个设备的地电位不同。通常用光电耦合器或隔离变压器进行“地”隔离，消除地环路干扰。由于隔离变压器绕组之间寄生电容较大，即使采取屏蔽措施的隔离变压器通常也只用于1MHZ以下的信号隔离，超过1MHZ时多采用光电耦合器隔离。: r, T, M % r! d公共阻抗耦合：当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就会发生公共阻抗耦合。由于地线是信号回流线，一个电路的工作状态必然会影响地线电压，当两个电路共用一段地线时，地线的电压就会同时受到两个电路工作状态的影响。) f; z& W; o/ f* O$ ! $ d可见无论是地环路干扰还是公共阻抗耦合问题都是由于地线阻抗引起的，因此在设计时一定要考虑尽量降低地线阻抗与感抗。如何减小控制电源噪声：电源线上有电流突变，就会产生噪声电压。在靠近芯片的位置增加解耦电容，能有效减小噪声。如果是高频电流负载，则采用多个同容量的高频电容和无感电容并联能获得更好的效果。注意电容容量并非越大越好，主要根据其谐振频率、提供脉冲电流频率来选择。印制板合理的布置地线将能有效的减小印制板的辐射以及提高其抗辐射干扰能力，请注意. E. S. |; p0 l布置地线网络：在双面板的两面布置最多的平行地线。l对于一些关键信号（如脉冲信号和对外界较敏感的电平信号）的地线的布置必须尽量缩小引线长度，减小信号的回流面积。如果是双面板，地线和信号线可以在印制板两面并联平行走线。l若是多层线路板，且既有数字地又有模拟地，则数字地和模拟地必须布置在同一层，减小它们之间的耦合干扰。# p- J5 g/ W; 0 C7 N* 6 l在实际电路中常发生公共阻抗耦合，因此要根据实际情况选择正确的接地方式。4 S/ 2 # v% i5 G8 q; D* f12.其它方法12.1.IGBT,MOSFET等开关元件的驱动脉冲信号增加一个-5V-10V的负电平，提高驱动信号的抗干扰能力。或驱动信号采用光纤传输技术，光纤适宜于远距离传输，具有抗干扰能力强的特点。12.2.通过软件的编程技术，提高开关电源的抗干扰能力，为了防止电平信号中的毛刺，引起软件的误判断及误动作，可以通过多次采样等数字滤波方法来滤除干扰信号。电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA0.5kVA为中功率，0.5kVA25VA为小功率，25VA以下为微功率。传送功率不同，电源变压器的设计也不一样，应当是不言而喻的。有人根据它的主要功能是功率传送，把英文名称“Power Transformers”译成“功率变压器”，在许多文献资料中仍然在使用。究竟是叫“电源变压器”，还是叫“功率变压器”好呢？有待于科技术语方面的权威机构来选择决定。同一个英文名称“PowerTransformer”，还可译成“电力变压器”。电力变压器主要用于电力输配系统中起功率传送、电压变换和绝缘隔离作用，原边电压为6kV以上的高压，功率最小5kVA，最大超过上万kVA。电力变压器和电源变压器，虽然工作原理都是基于电磁感应原理，但是电力变压器既强调功率传送大，又强调绝缘隔离电压高，无论在磁芯线圈，还是绝缘结构的设计上，都与功率传送小、绝缘隔离电压低的电源变压器有显著的差别，更不能将电力变压器设计的优化设计条件生搬硬套地应用到电源变压器中去。电力变压器和电源变压器的设计方法不一样，也应当是不言而喻的。高频电源变压器是工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz50kHz、50kHz100kHz、100kHz500kHz、500kHz1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的，工作频率比较低；传送功率比较小的，工作频率比较高。这样，既有工作频率的差别，又有传送功率的差别，工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一样，也应当是不言而喻的。如上所述，作者对高频电源变压器的设计原则、要求和程序不存在错误概念，而是在2003年7月初，阅读电源技术应用2003年第6期特别推荐的2篇高频磁性元件设计文章后，产生了疑虑，感到有些问题值得进一步商讨，因此才动笔写本文。正如电源技术应用主编寄语所说的那样：“具体地分析具体的情况”，写的目的，是尝试把最难详细说明和选择的磁性元件之一的高频电源变压器的设计问题弄清楚。如有说得不对的地方，敬请几位作者和广大读者指正。2高频电源变压器的设计原则高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据以往的经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，有什么不好？为什么一定要按步就班地来回进行推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在20世纪80年代中开发高频磁放大器式开关电源，以温升最低为条件，对高频电源变压器进行过优化设计。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修正。现在有些公司的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计高频电源变压器的时间，有的列出简化的设计公式，有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着想，又推广公司产品的双赢行为，是完全符合市场规律的行为，绝不是什么需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据，推荐的方案是否是经验的总结？有没有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些说法，都需要经过实践检验，才能站得住脚。总之，千万记住：高频电源变压器是一种产品（即商品），设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否经受住市场的考验。3高频电源变压器的设计要求以设计原则为出发点，可以对高频电源变压器提出4项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。3.1使用条件使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性，现在由于环境保护意识增强，必须注意电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料，居里点比较低，对温度敏感。例如：锰锌软磁铁氧体，居里点只有215，其磁通密度，磁导率和损耗都随温度发生变化，故除正常温度25外，还要给出60，80，100时的各种参考数据。因此，将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100以下，也就是环境温度为40时，温升只允许低于60，相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件，一般都采用E级和B级绝缘材料，采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案，可以使体积减少1/21/3的缘故?如果是，请举具体实例数据。作者曾开发H级绝缘工频50Hz，10kVA干式变压器，与B级绝缘工频50Hz，10kVA干式变压器相比，体积减小15到20，已经相当可观了。本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器，如次级绕组采用三重绝缘线，能把体积减小1/21/3，那一定是很宝贵的经验。请有关作者详细介绍优化设计方案，以便广大读者学习。电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料，产生的电磁干扰大。例如，锰锌软磁铁氧体，磁致伸缩系数S为21106，是取向硅钢的7倍以上，是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此，工作频率为100kHz左右的高频电源变压器，没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。既然提出10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10kHz20kHz，一定有其原因。由于没有画出噪声频谱图，具体原因说不清楚，但是由高频电源变压器本身产生的可能性不大，没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。至于采用这种粘合工艺可将音频噪声降低5dB，请给出实例与数据以及对噪声原因的详细说明，才会令人可信。屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只靠加外屏蔽带并不一定是最佳方案，因为它只能阻止辐射干扰，不能阻止传导干扰。3.2完成功能高频电源变压器完成功能有3个：功率传送，电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。第一种是变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。在功率传送过程中，磁芯又分为磁通单方向变化和双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式，磁通密度从最大值Bm变化到剩余磁通密度Br，或者从Br变化到Bm。磁通密度变化值B=BmBr。为了提高B，希望Bm大，Br小。双方向变化工作模式磁通度从Bm变化到Bm，或者从Bm变化到Bm。磁通密度变化值B=2Bm，为了提高B，希望Bm大，但不要求Br小，不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式，变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关。第二种是电感器功率传送方式，原绕组输入的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁使副绕组感应电压，变成电能释放给负载。传送功率