开关电源电磁兼容技术探讨

许传发

（山东省青岛市92635部队，山东 青岛266041）

1 电磁兼容技术的内涵

电磁兼容是指电子、电气以及组成的系统在一个共同的电磁环境中同时完成各自的功能且共存的状态，即系统中的这些电子设备不会因为内部或者彼此之间的电磁干扰而导致系统异常。其主要的内涵有：设备或者系统具备电磁兼容的功能；设备或者系统不会产生超过标准的电磁干扰。

电磁兼容性就是电子产品、设备、系统在预期的电磁环境中按照设计功能进行正常工作，且不会对系统中的其他设备或者事物产生电磁干扰。电磁兼容技术的发展是伴随着无线电、电子技术等发展起来的一门实用性工程类学科，具有巨大的发展潜力。

电磁兼容本质是抗干扰问题。电磁干扰是特定的干扰源发出的干扰电磁能量，经过耦合途径将此能量传输到敏感的设备，使得该设备正常工作受到影响。干扰的种类有很多，主要的有大气、雷电、宇宙等自然干扰；而系统中的某一个部分正常工作时发出的能量与无用能量对其他部分的干扰则是人为干扰。电磁兼容就通过对这些电磁干扰进行控制来实现的，所以电磁兼容技术是在认知干扰的基础上，从对抗电磁干扰而形成的。其具体要求：在设计好的电磁环境中设备功能正常，各项性能没有下降或者延缓；对电磁环境不会造成污染。

2 开关电源电磁干扰的形成

2.1 印制电路中的电磁噪声

印制电路是各种电路的支撑基础，开关电源也是如此。电路板是电路与电气件的连接平台，即PCB。在开关电源中这个元件是控制电磁干扰源的重要基础。因为印制电路的线路布置没有特殊规定，也没有专门的规则指导其布线，因此一些产品在设计中往往重视密度，缩小器件的体积，简化了制作工艺，或者为了美感与均匀忽视了对其电磁兼容性能的考虑，这样就会导致信号辐射，形成元件内部干扰。设计不良的PCB会直接引发电磁干扰，部分问题通过增加滤波器和抑制器件都不能解决。

2.2 晶体管电磁干扰

在设计中为了保证变压器的体积适应开关电源的优化，就会利用提高功率器件的性能来优化。如提高功率晶体管开关频率，但是会导致电流变化频率增加，从而导致不易控制的电磁信号。另外，高频率的晶体管必须有散热元件作保证，此时就会导致寄生电容的出现，并产生了电压频率改变而增加了干扰。

2.3 开关变压器

在电源中功率变压器是一个不可缺少的器件，在工作中也会产生电磁干扰。在变压器的多个绕组之间必然会产生寄生电容，导致脉冲电流，从而导致电磁干扰，且向周围辐射。同时变压器两侧的配合差异会导致漏磁，且激增了功率晶体管的电压，扩大了电磁干扰。

3 开关电源电磁兼容技术的应用

3.1 印制电路设计改进

设计中先考虑的是PCB的体积。电路板的最佳形状应是矩形，且比例相对固定，以3：2或4：3为主。电路板过大则印制线条长，需要的抗阻也就增加，抗噪能力也就减弱，也带来成本增加。过小则散热性差，器件安装紧密不利于兼容；在确定PCB的大小后，应重点确定关键元件的位置；最后根据电路的功能单元来对所需要的电气元件进行合理布局。

电子设备中数字电路、模拟电路、电源电路布局和布线特点是没有一定规律的，不同的开关电源所用的方式也不同，在设计中利用措施对干扰进行控制是存在适应性的。在开关电源中高频和低频电路的差异会直接导致电磁干扰的产生，且影响兼容方式的不同。在开关元件布置的时候应对数字性、模拟性、电源控制等电路进行区分，对高频电路与低频电路进行人为的隔离。并在设计中应将强弱干扰元件划分开，设置特定的路径。

开关电路中设计的最佳思路就是将无用的信号耦合降至最低或者消除，这样就可以提高电磁兼容性。

（1）为了保证降低耦合性，就应将低电平与高电平信号进行分开设计，保证其不直接与高电平信号元件接触，并保证其与过冲电路进行隔离；

（2）将低电平的模拟电路与数字电路分开布置，避免模拟电路和数字电路公共回路之间产生较大的阻抗耦合；

（3）高中低速的逻辑运算电路应在PCB的不同位置上；

（4）设置电路应选择信号线路最短；保证相邻板、同一个板相邻层面之间、同一层相邻线之间不能存在过长的平行信号线路；

（5）电磁干扰滤波元件应尽量靠近较强的信号干扰源，并设置在同一个线路板上；采用的DC／DC变换器、开关元件、整流器应与变压器设置在一个区域内，保证其导线的长度最短；将调压元件和滤波电容器设置在靠近整流二极管；

（6）印制电路应与频率、电路开关等具有明显特征的元件分开，电磁干扰和不会干扰的元件拉大距离；

（7）对电磁干扰相对敏感的电路或者元件应与干扰源保持平行。

3.2 功率晶体管的设计

针对前面分析，晶体管中的电流变化率增加就会直接产生较大的电涌电压和切换噪声。比较常用的对电涌进行控制的措施就是对电压进行防护，利用电磁珠的合理设置等措施对电涌进一步控制，当然是被动措施。另外，可以利用电源的拓扑技术对其进行主动的控制，如：零转换PWM软开关转换，可以从根本上改变此类情况的出现。功率晶体管利用散热向周围输出噪声辐射，可以利用减少寄生电容的措施进行控制，因为寄生电容的容量和介质相关，与介电常数成正比，所以选择绝缘材料应利用导热性好、介电常数小的，如陶瓷垫片就是很好的选择。

3.3 功率变压器的兼容设计

功率变压器的电磁兼容性改进，首先应对其几何形状进行合理选择，其中罐状结构是一种适应低电磁干扰或者射频干扰，因为骨架结构的中心线圈几乎是被铁氧体材料包裹，从而有效降低了辐射。绕组结构对变压器的性能也有重要的影响，为了降低漏感的程度，功率变压器通常要采用一种三文治式的绕组结构，如图1（a）所示，简单的绕组边缘和副边绕组构成了磁动势m.m.f。而图1（b）是三层设计的绕组形式，原边与副边的相对磁动势的变换曲线。如果利用简单的绕组构成，磁动势会在原边绕组的匝数增加的时候却出现上升，很快就会达到两边绕组出现峰值时最大。在副边绕组的外面，磁动势会出现降低且归零。磁动势增加直接导致的就是电磁干扰。三层绕组的方式可以有效地降低最大峰值的出现，在原边的绕组中心位置归零。三层绕组可以将原边划分为两个部分，让副边绕组在中间。这就更好地实现电磁兼容，变压器内部的原边、副边之间需要增加电磁屏蔽层，以此更好地抑制电磁辐射干扰。

图1 变压器的绕组磁动势分析

4 结束语

随着电子技术的发展，电子设备的形式不断增加且功能也趋于复杂，应用电子设备的领域也越来越广，电磁环境也随之变得复杂起来，电磁干扰的问题日益突出。因此电磁兼容技术也成为电子领域的研究重点。综上所述，开关电源电磁兼容设计应从源头进行控制，即切断系统耦合途径，保证设计的合理性，利用器件改进提高兼容性等，采用各种措施综合防治才能获得较好的兼容性。

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