开关电源的电磁兼容性研究

开关电源的电磁兼容性研究【摘要】：电磁兼容性是指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干扰的能力。论文的主要内容包括以下几个方面：系统地调研和分析了电磁兼容的概念、电磁兼容的研究内容及其国内外的研究现状和研究领域，对电磁兼容做了进一步的认识。对电磁干扰机理进行了初步的研究。从电路选择、元器件选择、屏蔽、印刷电路板抗干扰等几个方面，对开关电源电磁干扰的抑制措施进行了分析讨论。【关键词】：开关电源；电磁兼容；抑制；仿真iAbstract:Electromagneticcompatibility,beingrefertotheequipmentorsystemthatcanworknormallyinitselectromagneticenvironmentandanythingintheenvironmentcantaffordtohavetheabilityofelectromagneticinterference.Themaincontestsarethefollowing:theconceptofEMC,theresearchedcontentofEMC,thecurrentresearchindomesticandforeign,anditwillmadedepthcomprehensiontoEMC.Itstudieselectromagneticinterferencemechanismdeeply.Anditalsomakesapreliminarystudyonthemechanismofelectromagneticinterference.ItwillmakeadiscussionandanalyzeofswitchpowersupplyEMIsuppressionmeasuresfromtheselectionofthecircuit,components,andtechniqueofshielding,theabilityofanti-jammingthatthePCBown.Keywords:Switchingpowersupply,electromagneticcompatibility;inhibition;simulationii目录第一章绪论.1.1开关电源EMC研究现状.1.2电磁兼容国际和国内标准.第二章电磁干扰（EMI）原理.2.1开关电源电磁干扰产生的机理.2.2电磁干扰源.2.3电磁干扰的耦合途径.第三章开关电源传导干扰仿真分析.3.1Multisim仿真软件的特点.3.2开关电源传导仿真及分析.3.3抑制开关电源传导干扰仿真及分析.第四章开关电源电磁干扰的抑制措施.4.1电路措施.4.2元器件的选择.4.3屏蔽.4.4PCB抗干扰设计.4.5带有无源共模抑制电路的仿真电路.结论.参考文献.致谢.第一章绪论电源是电子设备的重要组成部分，电源设备的供电质量及其可靠性直接影响到整个电子设备的质量。随着电子技术的高速发展，电子、电器设备系统获得了越来越广泛的应用，从而使电磁环境日益复杂。开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、稳压范围宽等特点，因此被广泛用于通信设备、自动控制、家用电器、计算机等电子设备中。而且，开关电源采用更高开关频率的功率管代替工频变压器，并采用软开关、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，开关电源自身会产生较强的电磁干扰（EMI）。这些电磁干扰随着开关电源开关频率的提高、输出功率的增大而明显的增强，经传导和辐射会污染周围电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰，影响周围电子设备的正常运行。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，减少和抑制开关电源的电磁辐射，提高电子产品的质量，使之符合各国强制性产品认证，而开关电源的电磁兼容问题更是受到重视。1.1开关电源EMC研究现状随着功率半导体和电力电子系统的快速增长和普及，电源系统的干扰水平在强度和发生频率方面显着增加。图1-1显示了各种频率成分的高频(HF)干扰。电力电子系统最关注的电磁干扰现象是传导性干扰，频率范围从150kHz至30MHz(CISPR22)。316HZ50HZ1250HZ2KHZ20KHZ150KHZ30MHZ300MHZ1GHZ图1-1电磁干扰的频谱分类在过去的是十多年里，电力电子系统已稳步走向一体化，模块化、标准化和平坦化。减小体积，重量和成本前提下改善电气和热性能，主要通过优化半导体元件和电路拓扑结构，提高开关频率、先进的封装和集成技术来完成的。虽然，较高的开关频率有助于在一定程度上降低开关变换器的体积、重量和成本，但同时也增加了EMI问题。先进的封装和集成技术使得更多的元器件挤在一个狭小的空间成为可能,同时更多关于电磁干扰的考虑需要从功声音噪声分谐波谐波传导射频噪声分布辐射噪声分布率电路设计入手。在已发表的有关电力电子电磁干扰问题的大量论文中，估计有一半是研究开关电源中的电磁干扰问题。这是因为开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，功率开关管的高速开关动作，难免要引起严重的电磁干扰。但是与数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不高，所以开关电源呈现出不同于数字电路的电磁干扰特性。它们主要为：（1）作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度大；（2）干扰源主要集中在功率开关器件以及与之连接的散热器和高频变压器，相对与数字电路干扰源的位置较为清楚；（3）开关频率不高，一般从几十千赫兹到数兆之间，主要形式是传导干扰和近场干扰；（4）印刷电路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的EMC性能指标直接关系到推向市场的时间及销量。因此，近年来国内对开关电源的电磁研究越来越重视，各公司纷纷改进生产技术以适应新的电磁兼容标准，以方便打开海外市场，与国际接轨。同时，避开贸易壁垒。1.2电磁兼容国际和国内标准目前，国外制定的电磁兼容性标准已达上百种。具有代表性的有1.“电磁兼容性名词术语”（IEC50-161)，2.“电磁干扰特性的测量”（MIL-STD-462），3.“系统电磁兼容性要求”（MIL-E-6051D)，4.还有无线电干扰特别委员会制定的“无线电干扰和抗扰度测试设备和测量方法规范”（CISRR16-1_1993）。我国也已陆续制定了有关的国家标准和军用标准，例如“电磁兼容术语”（GB/T4365-1995），“电磁干扰和电磁兼容性术语”（GJB72-85），“无线电干扰和抗扰度测量设备规范”（GB/T6113-1995），“电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值”（GB4343-84）。这些标准的颁布，为实现电磁兼容性奠定了基础。4第二章电磁干扰（EMI）原理EMI产生的影响在特征和大小上是极其不一样的，影响范围十分广泛，可从简单的噪声烦扰到巨大的灾难。要消除设备在设计和生产之后发生的EMI问题，通常费用昂贵，并会导致生产计划延误，有可能影响到新产品的验收。最好的方法是在设备的设计阶和研制阶段，就遵循优良的EMC技术工艺惯例。开关电源（SwitchModePowerSupply）本身是一个很大的噪声源，在它不断的向高频化、小型化发展过程中，其噪声影响也在增大。有EMI就必然有干扰源、耦合途径以及对电磁干扰发生响应的电路、装置或系统。因此要想达到兼容，需要消除干扰源，或削弱它的强度；移除耦合途径，或减少耦合度；精心设计受扰设备的选择性并且提高其抗干扰能力。2.1开关电源电磁干扰产生的机理2.1.1基本的整流器整流过程基本的整流器的整流过程是产生电磁干扰的最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源，已不再是单一频率的电流。根据Fourier级数，此电流波可分解成直流分量和一系列频率为基波频率整数倍的不同的正弦量之和，即基波分量与不同次数的谐波分量之和。实验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰辐射干扰。这一方面使接在其前段电源线上的电流波形发生畸变；另一方面，通过电源线产生射频干扰。2.1.2开关管的工作过程开关管的负载一般是高频变压器或储能电感。在开关管导通的瞬间，初级线圈产生很大的浪涌电流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压。而在开关管段断开的瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部份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。由于开关通断而带来的电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，由此产生的噪声会传导到输入、输出端，形成传导干扰，重者可能击穿开关管。开关电源使用的元件参数均会造成瞬间短路，产生大的短路电流，而凡有短路电流的导线及该电流流经的变压器和电感产生的电磁场都可形成干扰源。2.1.3整流二极管的反向恢复过程在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容有关。其中，能反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十兆赫。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。2.1.4高频变压器开关电源中的高频变压器用作隔离和变压。但在高频的情况下，它的隔离是很不完全的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式通过变压器传导到交流电源中形成传导干扰。此外，变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成干扰。2.2电磁干扰源电磁干扰源是电磁兼容三因素的首要因素。存在干扰源不一定必然发生EMI，但是它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干扰源分为自然和人为两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括宇宙干扰，例如太阳噪声、大气干扰、尘埃、冰雹等，热噪声例如电阻热噪声等。人为干扰源主要是设备中的电压或者电流的变化。人为干扰源主要存在于工业、交通和商业环境中。大部分人为干扰源都是无意发生的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干扰源的存在，往往是极其困难的，甚至是不可能办到的。可以容忍它存在，但是必须把它限制在不影响到其他设备正常工作的范围内。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元器件上，突出表现为功率开关管、二极管、高频变压器等。2.3电磁干扰的耦合途径在电磁兼容设计过程中要从电磁干扰产生的三个条件着手。其中，移除干扰源是最彻底消除干扰的办法。但受条件限制，一般难以达到目的，只能从切断耦合合途径，改善受害设备自身的设计来降低干扰程度来达到目的。耦合是干扰源与受害设备之间的通道。一般来说，切断通道是降低或消除电磁干扰电子设备的最常用手段，也是最有效的办法。其最大的优点是主动权掌握在设计者手中。耦合途径有：传导耦合、辐射耦合、感应耦合、共阻抗耦合以及它们之间的组合。2.3.1传导耦合传导是干扰源与敏感设备之间的主要干扰耦合途径之一。传导干扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。在低频时，由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗，故电流注入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时，就可能产生干扰作用。在高频时，导体的电感和电容将不可忽略。此时电抗值将随频率而变化；感抗随频率增加而增加，容抗随频率增加而减小。在无线电频率范围内，长电缆上的干扰传播，应按传输线特性来考虑，而不能按集总电路元件来考虑。解决传导藕合的方法是防止导线感应噪声，即采用适当的屏蔽和将导线分离，或者在干扰进敏感电路之前，用滤波方法从导线上除去噪声。2传导耦合包括通过导体之间的电容及互感形成的干扰耦合。2.3.2辐射耦合辐射电磁场是干扰耦合的另一种方式，除了从源有意辐射之外，还有无意辐射，例如有短单极天线作用的线路和电缆，或起小天线作用的线路和电缆，都可能辐射电磁场。对于辐射耦合，近场和原厂的概念是非常重要的。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可写为公式(2.1)中，r、为球坐标；I为天线电流，dl为短单极天线长度；r为天线至场点的距离；角频率；为空气介电常数；k=2/。当kr1,即r时，称为远场，这时由此可见，H和E正比于1/r,而波阻抗此外，对于小环天线，也可以得到类似公式。但近场时，E正比于1/r2,H正比于1/r3,而波阻抗为感性低阻抗，与r成正比。小环天线的近场又称低阻抗场，以磁场为主。小环天线称为低电压、大电流低阻抗源。其远场与单极天线相同，H和E正比于1/r,而波阻抗。370Z2.3.3感应耦合感应耦合是导体之间以及某些部件(例如变压器、继电器、电感器)之间的主要干扰耦合方式之一。它可分为电感应耦合和磁感应耦合两种。020ZjZrHE(2.3)37/00Z(2.4)jkrrelIjHsind21j0(2.5)(2.6)rHEjZ20(2.7)(2.8)3700ZZkHE（1）电感应(容性)耦合源电路上的电压可产生电力线，它与敏感电路相互作用后，就出现电感应(容性)耦合。感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。图2-1简单地描述了两个导线间的容性耦合。假设导线1上的电压Ul为干扰源电压，而导线2为受影响的电路(即敏感电路)，则导线2和地之间产生的噪声电压认，可用下式表示当时，则相当于产生一个幅度为的电流源。所以，容性耦合可以用连接在导线2与12UjwCIn地之间的电流源In来模拟。图2-1两个导线之间容性耦合上式是研究、讨论两导线间容性耦合的最重要的公式。它表明噪声电压直接正比于干扰源的频率（w=2f）、敏感电路到地的电阻R、导线1和导线2间的电容C12以及电压U1。假定干扰源的电压和频率恒定，减少容性耦合则可以归结为减少如下两个参数：1.使敏感电路在较低的电阻值上工作；2.减少电容C12,而电容C12的减少又可以通过导线本身的方向性、屏蔽或分割来实现，进而达到减少导线2上感应电压的目的。导线Un接地)(12gCjwR1)(/12g2UUCRjwn(2.9)12Rjn（2.10）12)(12gCjwR当时，导线2到地的电阻很大，则在这种情况下，导线2和地之间产生的噪声电压是由容性分压器C12和C2g引起的，与频率无关，与前一种相比，此时的噪声电压要大得多。(2)磁感应(感性)耦合当变化的电流产生磁通时,使源电路与另一个电路(敏感电路)链环,结果出现磁感应耦合。感应电流是源电流、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。图2-2两个电路间的磁耦合当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和电路2之间存在M12：其中，12表示电路1的电流I1引起电路2的磁通。由磁通密度B磁场在面积为A闭合回路中，所引起的电感电压Un,可由法拉第定律导出，其值等于公式中，B和A都是矢量。如果，闭合回路是固定的，则整个环面积恒定，而磁通密度随时间作正弦变化，即1/1IM(2.12)（2.13）（2.14）(2.11)AdtnBU121UgCn导线M12I121式中，B-磁通密度Wb/m2(特斯拉T)；A-闭合回路的面积（m2）。因此，BAcos表示耦合到敏感电路的总磁通，用两个电路间的互感来表示感应电压，可得以上两个公式都是讨论两个电路间感性耦合的基本公式。为了减少噪声电压，必须减少B,A或cos。减少B,可以采用电路的物理分隔；减少敏感电路的面积A,可以将导线紧贴地平面上；减少cos,可以适当调整干扰源和敏感电路的相对位置。对于磁耦合，噪声电压产生于敏感电路串联的导线中；对于电耦合，噪声电流产生于导线2与地之间。实际工作中，可以用下述方法来鉴别这两种耦合：测量跨接电缆一端阻抗上的噪声电压，并减少该电缆另一端上的阻抗。如果，所测噪声电压减少，则为电干扰；如果，所测噪声电压增加，则为磁干扰。2.3.4共阻抗耦合当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现了共阻抗耦合。在电源线和接地导体上传播的干扰电流,通常都是通过共阻抗耦合进入敏感电路的。图2-3表示出了这种耦合的典型例子。地电流1和2都流过公共地阻抗。就电路1来说，它的地电压被流动在共地阻抗上的地电流2所调制。因此，一些噪声信号从电路2通过共地阻抗耦合到电路。图2-6两个电源使用公共电源时的共阻抗电偶电路1电路2电路1的电压电路2的电压地电流1地电流2共地阻抗cosBAUn(2.15)dtInMIjU1212图2-4是共地阻抗耦合的另一个例子。图中U1为干扰源电压，U2为敏感电路信号电压，干扰源电路和敏感电路之间具有共地阻抗Zg。图2-4共地阻抗耦合之二可写出下列方程若不考虑I2作用，可简化为可得由于（Ri1+Ri2）Zg，则Ug在RL2上形成的干扰电压Un为将式(2.21)代入（2.2），可得（2.16）g21)(ZIUg（2.17）gLiIRI)(211（2.18）ggZIU1（2.19）)(1RLi)(/(2112LiLiLgnRRUZ(2.23)/(22LiLg(2.22)/(11LigRZ(2.21)（2.20）)/(g1i1gLI2I1IgZgUg可见，敏感电路负载RL2上的干扰电压Un是干扰源电压U1、公共地阻抗Zg及负载RL2的函数。图2-5为串联阻抗耦合。所有独立电路的地通过串联连接，这对噪声来说是一种最不希望的共地系统。因为所以，任一个电路的电流的变化都会影响各个电路中的接点电位。因此，必然会对整个电路产生影响；解决这一地阻抗耦合的方式是采用多点接地技术，来避免这种串联地阻抗耦合方式。图2-5串联地阻抗耦合电路图2-6表示了电源电路的共阻抗耦合。当电路2要求的电源电流变化时，必然也影响电路1的端电压。这是由电源线的共阻抗和电源内部的源阻抗引起的。将电路2的引线直接连接电源输出端，从而减少共线阻抗，电路2的性能也能得到一些改善，但是电源内阻的耦合依然存在。图2-6两个电源使用公共电源时的共阻抗电偶I1I2电路1电路2电路3I3Z1U1U2U3Z2Z33211IIZU)(322IZ(2.24)(2.25)(2.26)3213)(III电源电路1电路2I1+I2共线阻抗I1I2第三章开关电源传导干扰仿真分析3.1Multisim仿真软件的特点目前，在应用较广泛的电子仿真软件中，Multisim是应用较多的一种。Multisim能够把仿真与电路原理图的设计紧密的结合在一起。广泛应用于各种电路分析，可以满足电子电路动态仿真的要求。其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。Multisim主要优点如下：1.直观的图形界面；2.丰富的元器件库；3.丰富的测试仪器；4.完备的分析手段；5.强大的仿真能力。以上为Multisim的特点，也较为方便的为电路仿真提供可能。3.2开关电源传导仿真及分析图3-1正激有源箍位开关电源仿真模型开关电源的Mosfet管漏极电压的上升和下降沿是传导EMI的主要干扰源。因此，这里使用电感、电流、电阻的干扰电压、占空比以及开关频率来证明仿真过程中受到的干扰。对于图3-1正激有源箍位变换器的理想模型进行传导EMI仿真，即不考虑任何电路寄生参数，包括电路元件的高频参数。图3-2电阻R4干扰波形图3-3电容C7干扰波形图3-4电容L6干扰波形从以上仿真波形看可以明显看出，干扰信号的存在。开关电容对地电阻R3值对传导干扰影响很大。从数值上看，R3增大10倍，噪声幅值相应增大。由于R3增大，流过R3的干扰电流产生的压降相应变大，使得对地干扰电压增大。在进行系统设计或者电源安装时，要注意电源的接地电阻尽可能小。3.3抑制开关电源传导干扰仿真及分析3.3.1无源无损缓冲电路设计在硬开关电路中，有源开关器件连接在刚性的电压源或电流源上，开关损耗大、电磁干扰严重、可靠性低，且随着开关频率的提高,这种现象更为严重。为了克服这些缺陷，软开关技术被广泛采用。有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器、无源无损缓冲电路是常用的软开关技术。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关，以减少开关损耗。但这也增加了主电路和控制电路的复杂程度，从而降低了性价比，也降低了可靠性；RCD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率较低，在各种软开关技术中性能最差；而谐振变换器虽然实现了ZVS或ZCS，减少了开关锁耗，但谐振能量必须足够大，才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗、成本，降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器件,也不使用耗能元件，因而兼具以上三种方法的优点。其结构与RCD缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高，因而获得了广泛的应用。3.3.2基于补偿原理的无源共模干扰抑制电路共模电流包含连线到地面的位移电流；同时，由于开关器件端子上的dv/dt是最大的。所以，开关器件与铝基板之间的杂散电容也将产生共模电流。开关器件的dv/dt通过外壳铝基板之间的寄生电容对地形成干扰电流。本节重点介绍了开关电源传导性电磁干扰的仿真过程及结果。建立了有源箍位正激式开关电源传导EMI仿真的电路模型，并针对不同参数变化时，对电路进行了仿真，分析其仿真结果。在此基础上提出了一些有效的开关电源传导EMI抑制措施，为下一章具体介绍开关电源电磁干扰的抑制措施，并通过仿真验证这些方法的可行性做铺垫。第四章开关电源电磁干扰的抑制措施从电磁兼容的三要素讲,要解决开关电源的电磁干扰问题，可从3个方面入手:减小干扰源产生的干扰信号；切断干扰信号的传播途径；增强受干扰体的抗干扰能力。为此，抑制开关电源电磁干扰要采取的主要方法有：电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽、印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)抗干扰设计等。4-1RC吸收电路4-2D-RC吸收电路4-3二极管两端的RC吸收电路4.1电路措施4.1.1吸收电路开关电源产生EMI的主要原因是电压和电流的急剧变化，因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率du/dt和di/dt。采用吸收电路能够抑制EMI，其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路,吸收积蓄在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰的发生。具体说，可在开关管两端并联RC吸收电路(图4-1)；或在开关管两端并联D-RC吸收回路(图4-2)。RC/D-RC回路可吸收开关管接通和断开瞬间产生的较高浪涌尖峰电压，降低开关回路的干扰。另外，如（图4-3）所示，在输出端的整流二极管两端加RC吸收电路，也起到抑制反向浪涌的作用，基本吸收电路在一定程度上还会降低效率。目前，无源无损吸收电路成为解决上述问题的重要发展方向之一。它是一种改变存在于尖峰或上升下降边沿中能量方向的方法，并能使能量回送到输入或输出中，从而解决了基本吸收电路中的有损储能。U+U-4.1.2软开关技术软开关技术的基本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件，利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的du/dt和di/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升，或关断时电流的下降先于电压的上升，来消除电压和电流的重叠。在理想情况下，这样不仅减小了开关损耗，还可以大大减小EMI电平。此外，软开关电路不同于一般的吸收电路，能够在降低EMI影响的同时减小开关损耗。但是，简单地认为软开关技术就可以降低EMI电平是一种比较片面的认识。这是由于为实现主功率开关器件的软开关电路中引入了辅助谐振单元，其谐振会引入高的du/dt和di/dt，增加电路的EMI。因此，比较软开关和硬开关技术的开关电源，其EMI应综合衡量考虑。4.1.3EMI滤波EMI滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在抑制开关电源的传导干扰方面，具有明显的效果。开关电源的传导干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰存在于相线与地线间及中线与地线间，其电流在相线与中线同时存在大小相等、流向相同。差模干扰是在相线与中线间存在的干扰，其电流在相线与中线同时存在大小相同，流向相反。无论是共模干扰还是差模干扰，都能使用EMI滤波器抑制。因为，通过对开关电源干扰的分析和实测可知，开关电源的干扰频率和频域要比电网频率高得多和宽得多。目前开关电源EMI滤波器主要采用的是性能优良的无源低通滤波器，其基本电路结构如图4-4所示，由于电源线中往往同时存在上述两种干扰，故EMI滤波器一般由共模和差模滤波电路综合构成。设计和选用EMI滤波器一定要根据电路的实际情况。首先，测量传导到干扰的电平和频带，再与电磁兼容的标准或实际应用需要信号电平进行比较。选择对超标信号或超过实际应用所需信号的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。此外，在使用EMI滤波器时还要考虑滤波器的安装质量。图4-4EMI基本结构4.1.4开关频率调制技术频率固定不变的调制脉冲产生的干扰在低频段主要是调制频率的谐波干扰，且这些干扰主要集中的各谐波点上。如图4-5(a)所示，利用频率调制技术降低开关电源的E电平的基本思想是：通过调制开关频率fc的方法把集中在fc，2fc，3fc，.上的能量分散到它们周围的频带上。如图4-5(b)所示，由此降低各个频率点上的EMI幅值，从而实现EMI标准规定的限定值，但是图中方法却不能降低总的干扰能量。(a)恒频PWM的EMI频谱（b）开关频率调制PWM的EMI频谱图4-5EMI频谱波形4.1.5功率管优化驱动技术通过缓冲吸收电路可以延缓功率开关器件的通断过程，从而降低开关电源的EMI电平，但同时会因为附加的吸收电路的损耗，导致电源总效率的下降。另一种降低开关电源EMI电平的方法，是选择合适的驱动电路参数，使得驱动电路不仅能够满足开关管的正常导通的要求，还能控制开关开通和分断时其上电压电流的变化率。这样可以维持电路性能不变的同时降低EMI电平。4.2元器件的选择选择不易产生噪声的元器件也是减少开关电源电磁干扰的重要途径之一。基本原则是选择不易产生噪声的元器件、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值的注意的是二极管和变压器等绕组类元器件的选用。4.3屏蔽屏蔽的目的是使已产生的EMI不向外部辐射，用电磁屏蔽的方法解决EMI问题的最大fc2fcfc2fc的好处是不会影响电路的正常工作。屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使其电磁波产生衰减，对抗电磁波较弱的元器件，必要的情况下也应采取相应的屏蔽措施。此外，为不使辐射干扰向外部发散，还应采取整体屏蔽的对策。即选用导电性良好的材料，将开关电源整体屏蔽，使可能向外部发散出去的电磁波衰减。然而，屏蔽材料的接缝、电线的输入输出端子和电线的引出口等处，均易产生电磁泄漏，且不易散热，结构成本也大幅度增加。因此，使用整体屏蔽时应充分考虑这些因素。4.4PCB抗干扰设计PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地，其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。开关电源布局的最佳方法与其电气设计类似，最佳设计流程如图4-6所示。设计PCB前应首先考虑PCB的尺寸与形状。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；若尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为32或43。电路板面积尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。在确定PCB的尺寸形状后，再确定特殊元器件(如各种发生器、晶振等)的位置。各种发生器、晶振等都易产生噪声，要相互靠近一些。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。布局时应以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。同时，在高频情况下，要考虑元器件之间的分布参数。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减小和缩短各元器件之间的引线和连接。关于PCB布线技术，有关文献中都提出了一些简单的布线规则。例如在开关电源中，最典型的规则就是减小高频电流环路包围的面积和高du/dt导体的面积，这样可以降低EMI电平。但是，由于缺少有效的分析电磁干扰手段，基本上是一种依赖于经验的尝试性设计过程。新的采用计算机辅助设计的方法是:使用Ansoft软件提取变压器印制导线的寄生电阻、电感、电容等寄生参数，然后将这些参数代入Pspice软件进行电路仿真，最后得出对EMC影响最重要的参数；用电磁场计算软件Inca提取PCB的杂散参数，用高频阻抗分析仪测量无源元件的高频寄生参数，建立完整的开关电源传导EMI模型，再利用仿真软件进行EMI预测；采用EMC扫描仪直接得到开关电源PCB的表面电场干扰分布情况，作为布线时的主要依据，开发了辅助设计软件，初步解决了PCB电磁兼容性设计的部分问题。在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有3种基本类型：安全接地、工作接地和屏蔽接地。安全接地是以安全为目的的保护地线，通常与金属机壳机架相连接；工作接地是指为设备中各个电路提供稳定的零基准电位，其地线称之为系统地线；为了抑制干扰，电缆、变压器等屏蔽层需要接地，相应的地线称之为屏蔽地线。根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、功率地、信号地和电源地等。地线设计时应注意以下几点:(1)交流电源地与直流电源地分开。在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的“浮地”技术，可隔离来自交流电源地线的干扰。(2)模拟电路与数字电路的电源地分开。随着数字开关电源的开发，为了抑制数字芯片的干扰，数字芯片与模拟电路必须隔离，即数字电路与模拟电路的电源地分开。(3)功率地与弱电地分开。功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,功率地线上的干扰较大。因此，功率地与其他弱电地必须分别设置。(4)尽量加粗地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使定时控制信号电平不稳，抗噪声性能变坏。图4-6PCB布局最佳流程4.5带有无源共模抑制电路的仿真电路基于补偿原理的共模干扰抑制技术室通过提取开关栅源极的dv/dt，并把它反相，然后加到一个补偿电容上，从而形成补偿电流对干扰电流进行抵销。即,补偿电流与干扰电流等考虑PCB的尺寸、形状确定特殊元件的位置对电路的全部元器件进行布局变压器或电感器输出负载环路和输出滤波器控制与驱动电路输入环路和输入滤波器输出整流器电流环路功率开关管电流环路幅相反，并同时流入接地层。根据基尔霍夫电流定律，这两股电流在接地点汇流为零。于是，50的阻抗稳定网络（LISN）电阻上的共模干扰电压被大大减弱。图4-7给出了加入共模抑制电路的仿真电路图。如图，从开关器件过来的dv/dt所导致的寄生电流注入接地层，干扰抑制电路产生的反相补偿电流也同时注入接地层。理想的状况就是这两股电流相加为零，从而大大减少流向LISN电阻的共模电流。将变压器的励磁电感附加一个反向绕组Lm1,使其在附加电容Cr1上产生和由寄生电容Cr引起的寄生干扰电流反相补偿电流。共模噪声抑制电路图4-7带有无源共模抑制电路的仿真电路(a)未加载缓冲电路（b)加载缓冲电路图4-8共模噪声对比图Crl的大小由Cr和绕组匝比决定。如果匝比为1，则Crl的电容值和Cr相当，若匝比不为l，则Crl的取值要满足icr1=Cr*dv/dt。仿真结果可以看出，加载了共模噪声抑制电路后，噪声对波形干扰明显减少。这也证明了，论文此前提出的一些有效的开关电源传导EMI抑制措施：无耗缓冲电路设计、补偿电感抑制干扰，仿真结果验证了这些方法的可行性。结论随着功率半导体器件性能的提高和开关变换技术的革新，电力电子技术已经广泛地应用到了各式各样的电气设备中。开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰。EMI信号既占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文以减小开关电源电磁干扰为目标，在完成课题的过程中，本文作者主要完成了以下工作：（1）通过阅读大量的中文和外文相关文献，综述了电磁兼容的基础知识和开关电源电磁兼容的现状、特点，分析了开关电源的主要干扰褐合机理和基本拓扑，为后面的进一步研究指明了方向。（2）系统地调研和分析了电磁兼容的概念、电磁兼容的研究内容及其国内外的研究现状和研究领域,对电磁兼容做了进一步的认识。对电磁干扰机理进行了深入的研究。从电磁干扰三要素着手，讨论和分析了常见电磁干扰源的特性及其耦合途径，并重点阐述了传导耦合、共阻抗耦合、感应耦合和辐射耦合的特性。（3)对开关电源印制电路板的布局布线进行了分析，根据己经提出的“耦合系数”的概念，实时估算印刷线路间分布电容的大小，在设计时可及时对印制电路板进行修改、改进，能有效减小印制电路板的传导干扰。（4）开关电源由于在体积、重量和效率等方面的优点，获得迅速发展，已广泛应用于各个领域。但电磁干扰对电子和电气设备的工作有较大影响。为了有效地抑制开关电源所产生的电磁干扰，必须从多个方面采取多种手段抑制干扰，全面有效地提高开关电源的电磁兼容性，使其得到更广泛的应用。自从电磁兼容这个新概念出现以后，抗电磁干扰技术就进入了一个全新的时期，即从被动防范或补救的时期，进入到主动进行预测分析、主动进行兼容性设计、主动采取防护措施的新时期，电磁干扰抑制技术的研究将在未来变的更加重要。参考文献1汤佩娥.