开关电源的电磁兼容性及其设计

1 引言

随着电器和电子设备或系统的数量及种类不断增加，使得电磁环境日益复杂。在复杂的电磁环境中，各种设备或系统能否正常工作，成为一个急待解决的问题，作为各种设备或系统的重要部分 开关电源，既是骚扰源，同时又是被干扰者。

大功率开关电源往往是骚扰源。各种开关电源在工作时，往往要产生一些有用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他设备或系统的正常工作，这就是电磁骚扰。电磁骚扰有可能使开关电源的工作性能下降，甚至使开关电源的使用寿命缩短，或根本无法正常工作。可见，电磁兼容性设计的目的是使开关电源在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使开关电源满足有关EMC标准的规定并具有如下两方面的能力：一是能在预期的电磁环境中正常工作，不出现性能下降或故障；二是对电磁环境无污染。

2 关于电磁兼容的几个重要概念

2.1 电磁环境

电磁环境（Electromagnetic Environment）是指设备或系统在正常工作时，可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在不同频率范围内功率和时间的分布。电磁环境有时也可以采用场强表示。设电磁环境中有N个电磁骚扰源，频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上，场强值为

式中，Ei（f1）表示编号为i的电磁骚扰源在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上的场强值。

2.2 电磁骚扰

电磁骚扰（Electromagnetic Disturbance）是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降，或者对生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是本身的变化。

电磁骚扰根据其来源，可分为自然骚扰和人为骚扰两大类。自然骚扰以其发生源不可控为特点，例如电子噪声、天线噪声、地球外噪声、沉积静电等。人为骚扰以其发生源可知并且可控为特点。例如：高频及微波设备、高压设备、火花设备、核电磁脉冲等。

2.3 电磁干扰

电磁干扰（Electromagnetic Interferenec，简写为EMI）是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统的有用电磁信号，也可能是某种电磁噪声。

2.4 电磁兼容性

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility），简写为EMC）是指器件、设备或系统在所处的电磁环境中正常工作，并不对其环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。按上述定义，电磁兼容性包含如下含义：

a．设备或系统应具有抵抗给定电磁骚扰的能力。即它应不会受到处于同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁骚扰而产生不允许的工作性能下降。

b．设备或系统不产生超过规定限度的电磁骚扰。

3 电磁骚扰传播的一般途径

从干扰源把电磁能量传到干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式。从接收器的角度看，耦合可分为两类：传导耦合和辐射耦合。传导耦合又分为直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合，辐射耦合又分为场(天线)对天线耦合、场对电缆耦合和电缆对电缆的耦合，如图1所示。

在实际情况中，传导耦合和辐射耦合并不是截然不同的，他们可以互相转换。例如在金属传导线中传导的电流很大时，辐射也会很严重。

4 开关电源的电磁兼容性设计

根据电磁骚扰的传播途径，开关电源的电磁兼容性设计包括：完善电路设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设计。

4.1 完善电路设计

所选择开关电源电路拓扑不宜产生过高的电压和过大的电流，以避免高电压电场干扰和大电流磁场干扰。在满足要求的情况下，放大器的频带应尽量窄，使其不易受干扰。适当增加缓冲电路。

印刷电路板设计时应注意以下几点：

①高、中、低速逻辑电路同时应用时，高速应设计在电路板的人口处；

②信号人口加RC去耦滤波，消除长线传输干扰；

③电路中的电流环路应保持最小；

④信号线和回线应尽可能接近；

⑤使用较大的地平面以减小地线阻抗；

⑥电源线和地线应相互接近；

⑦在多层电路板中，应把电源面和地平面分开；

⑧圆弧布线，不突变；

⑨尽量缩短连线；

⑩模拟电路和数字电路分开，功率电路和控制电路分开。  

4.2 接地设计

A．接地是开关电源设备抑制电磁噪声的重要方法。

接地的作用：

①提高系统工作的稳定性，若不与大地相接，易受地电容的干扰；

②泄放静电感应在机箱上的静电，避免高压放电；

③操作安全。

B．不考虑安全接地，仅从电路参考点的角度考虑，接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。

①悬浮地

图2是开关电源中的参考地与机壳隔离，可以避免机壳中的干扰电流直接耦合到电源电路中。当浮地系统靠近高压时，可能堆积静电荷，形成危害或引起静电放电，形成干扰电流。在雷电环境下，在机箱和单元电路间产生电弧。所以开关电源中不宜采用悬浮地。