探讨高频开关电源设计中的电磁兼容问题

分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。

3、电磁兼容设计

3.1、输入端滤波器的设计

开关电源产生的噪声包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。为此应在电源输入端加滤波器，滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感)；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。

图3、电源滤波器

图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；
差模抑制电感L1，L2100～130μH；
共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；
共模抑制电感L15～25mH。

插入损耗的定义如图4所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为
IL=20log（2）

设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即f=<10kHz。

图4、插入损耗的定义

图5是差模与共模干扰的示意图。

（a）差模干扰   （b）共模干扰

图5、差模与共模干扰示意图

在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，所以，滤波电路可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。

图6是两种滤波电路，它们的滤波效果如图7实验曲线所示。

（a）滤波电路1

（b）滤波电路2

图6、两种滤波电路

①为加滤波器电路1②为加滤波电路2

图7、两种滤波电路效果实验曲线

3.2、辐射EMI的抑制措施

要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。

功率开关管的集电极是一个强骚扰源，开关管的散热片应接到集电极上，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之间的分布电容，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散热片。整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。另外，在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。

负载电流越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个二极管并联来分担，可以降低短路尖峰电流的影响。

开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，一般用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。

例如，对辐射干扰超过标准限值20dB的某开关电源，采用了如下一些在实验室容易实现的措施进行了改进：

1）在所有整流二极管两端并联470pF电容；
2）在开关管G极的输入端并联50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；
3）在各输出滤波电容(电解电容)上并联0.01μF电容；
4）在整流二极管管脚上套一小磁珠；
5）改善屏蔽体的接地。

经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。

3.3、传导骚扰的解决方法

开关电源的传导骚扰通过输入电源线向外传播，既有差模骚扰、又有共模骚扰。传导骚扰的测试频率范围为0.15～30MHz，限值要求如表1所列。

表1传导骚扰限值表

在0.15～1MHz的频率范围内，骚扰主要以共模的形式存在，在1～10MHz的频率范围内，骚扰的形式是差模和共模共存，在10MHz以上，骚扰的形式主要以共膜为主。差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态，当开关管开通时，流过电源线的电流