通信开关电源的电磁兼容(EMC)设计与分析

通信开关电源的电磁兼容(EMC)设计摘要：开关电源由于本身工作特性使得电磁干扰问题相当突出，本文从辐射干扰与传导干扰两方面入手，详细论述了开关电源电磁兼容问题的产生原因、工作机理、等效模型，结合工作实践提出了抑制开关电源电磁干扰的措施、滤波器设计及参数选择，尤其是开关电源板级电路的电磁兼容设计。关键词：开关电源；电磁干扰；滤波器；传导干扰一、引言近年来，随着电源技术的快速更新，开关电源采用脉冲宽度调制（PWM）技术，以其效率高、体积小、功耗少、重量轻、宽稳压、稳定性好等优点，已广泛应用于电力、电子通信等领域的设备与系统。但是，开关电源因其集成度高、功率密度大，工作过程中产生的高、高、强高频频谱，使得电磁干扰问题非常突出，造成电子产品在EMC认证测试严重超标。现如今，开关电源的电磁干扰应该如何降低甚至消除，已经成为全球开关电源设计师以及电磁兼容（EMC）设计师非常关注的问题。电磁干扰（EMI）的三要素分别为干扰源、传播途径和敏感设备。故开关电源的电磁兼容设计，一方面要分析干扰源的机理及性质，定位干扰源的位置和器件；一方面要解决传播路径中的传导干扰和辐射干扰，有效解决电磁干扰问题。在抑制EMI噪声的辐射干扰方面，电磁屏蔽是最好的方式。而抑制EMI噪声的传导干扰方面，采用EMI滤波器是很有效的手段，当然应配合良好的接地措施。二、辐射干扰分析及抑制措施开关电源的电磁干扰分为两部分：一类是外部噪声，主要来自电网的波动、输出负载的变化、外部电磁辐射等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，主要是功率半导体器件（开关管和整流管）的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。开关电源的典型简化电路如图1所示。该电路可分为一次整流电路、开关电路、二次整流电路和控制电路。首先交流电经过整流桥进行整流，并经过电容滤波后，为变压器T及其开关管组成的负载回路供电。通过控制MOSFET管（VM）的开通和关断，使能量耦合到变压器的次级，再经过整流滤波，输出比较理想的直流电压。图1开关电源典型简化电路（一）输入电流大量接入电网的用电设备都是采用桥式整流、电容滤波整流后供给负载的，这种不控整流电路是一种非线性器件和储能元件的组合。虽然输入交流电压是正弦的，但是电容的充电放电作用使得整流二极管并不是在交流电的整个周期内导电，其导通角非常小，输入电流畸变成为一个时间很短、峰值很高的脉冲状周期性尖峰电流，这种畸变的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。图2整流二极管作用下的电流脉冲为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术就是通过在不控整流电路中加入DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形能跟踪交流输入电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数，这也是当今电源设计师的话题焦点。（二）主开关管主开关管是开关电源的核心器件，开关频率较高（从几十kHz到数MHz）。由于开关管的频繁导通和关断，导通时流过大的脉冲电流，关断时产生高的脉冲电压，在其负载高频变压器初级线圈两端会出现尖峰噪声，因此开关电路是产生干扰的最大电磁源。同时由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管所构成的高频电流环路会产生以电磁波形式的空间辐射噪声。可采用在开关管两端并联RC的电压缓冲电路，或在开关管的集电极上串联20～80μH电感的电流缓冲电路。开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。（三）整流二极管二次整流电路中的二极管VD1处于高频通断状态，二极管导通时电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降，而是出现一个快速的上冲。而在关断时由于PN结中大量过剩少数载流子需要复合，从而产生很大的反向恢复电流，此电流与关断电流和关断速度成正比。反向恢复电流流过电感线圈时就会产生尖峰电压，并且在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。可以通过可选用快速恢复二极管或带软恢复特性的二极管，同时在二极管两端套磁珠和并联RC吸收网络，电阻、电容的取值可为几和数千pF。或者在输出整流管上串联一个高磁导率的饱和磁芯电感，整流二极管导通时饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，饱和电感工作在电感特性状态下，很大的反电势阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。图3整流二极管的RC吸收回路（四）屏蔽措施开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，建议用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。图4开关管与变压器的屏蔽结构三、传导干扰分析及抑制措施当开关电源的谐波电平在低频段（0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。包括差模干扰与共模干扰两种表现形式，这也是许多电子产品在EMC认证测试中最难通过的一项指标测试。（一）差模干扰与共模干扰模型差模干扰主要来源于瞬变电流的，电流的瞬变通过两电路间的寄生耦合电感，以磁场耦合的方式在其相邻电路上形成感生电压，尤其是低压大电流场合，情况更为恶劣。表现为交流输入引线之间存在的电位相等、相位相反的差模电流。图5差模干扰等效电路共模干扰主要来源于瞬变电压的，电压的瞬变通过两电路间的寄生耦合电容，以电场辐射的方式在其相邻电路上形成感生电流，尤其是高压小电流场合，情况更为恶劣。表现为交流输入线分别对大地的电位相等、相位相同的共模电流。图6共模干扰等效电路（二）电源滤波器设计抑制开关电源传导干扰最有效的措施就是电源EMI滤波器，按形式分为一体化式和分立式。一体化式是将电感线圈、电容器等封装在金属或塑料外壳中，分立式是在印制板上安装电感线圈、电容器等，构成抑制噪声滤波器。基本电路如图八所示：图7电源滤波器基本电路图中CX1和CX2叫做差模电容，L1和L2叫做共模电感，CY1、CY2、CY3和CY4叫做共模电容【3】。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用，EMI滤波器应处于阻抗失配状态，电感、电容应有足够的电压、电流容量。CY：主要滤除高频共模干扰，因接于电源线和地线之间且考虑到漏电流，对于220V/50Hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA，所以选用高耐压、低漏电流特性的陶瓷介质电容，CY一般为2.2～33nF。CX：主要滤波两根电源线之间的高频差模干扰，选用能够满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击的陶瓷电容或聚酯薄膜电容，同时为避免放电电流引起的冲击危害，CX一般在0.01～0.1μF之间。L1：主要滤波低频共模干扰，通常在漏磁小的环形磁芯上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，同方向的共模噪声电流流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，而这种差值正好被利用作差模电感，并且差模电感与电容CX1及CX2构成了一个π型滤波器，较好的衰减差模干扰。在设计和选择电网噪声滤波器时，因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中，首先必须考虑所用电感器和电容器的安全性能，对于电感线圈、其磁芯、绕线的材料，绝缘材料和绝缘距离，线圈温升等都应予以重视。对于电容，其电容种类、耐压、安全等级、容量、漏电等都应优先考虑，特别要求选择经过国际安全机构安全认证的产品。在电源滤波器的实际应用中，要求其外壳与系统地之间有良好的电气连接，且应使地线尽可能短，因为过长的接地线会加大接地电阻和电感，而严重削减滤波器的共模抑制能力，同时也会产生公共接地阻抗耦合的问题。（三）试验认证现以某电台的电源板为例，说明在开关电源板的设计中应该考虑的因素及电磁兼容设计需求。由于在认证测试中涉及到传导谐波、传导干扰、辐射干扰的测试项目，因此在开关电源板的设计阶段采取了以下措施，有效的降低了电磁干扰。输入级并联导通电压为470V的压敏电阻；整流桥输入级附加两级典型滤波器电路CX1、CX2、L1、L2、CY1、CY2；整流桥的输出高频小差模电容与共模电容CY3、CY4；直流输入级附加一级滤波器电路CX1、L1、CY1、CY2；开关管并联100pF的小电容，缩小滤波电容与开关管之间的回流面积，局部屏蔽；整流二极管附加RC吸收回路同时串联磁珠，减小反相恢复电流干扰；开关电源的输出级附加双差模电感，减弱负载功放的关断频扰；要求设计师进行PFC电路的设计，考虑到电源线谐波测试的测试项目；整个电源板全结构屏蔽，并多个螺钉与整机机壳相连；本实验室利用EMSCAN电磁干扰扫描系统，先后对设计师的两次版本做测试对比，同时附加整改之后的对比测试图。从中可知开关电源的电磁兼容设计技术不仅需要理论分析与指导设计，更重要的是实践经验的积累与提升。图8第一版本的开关电源