开关电源电磁兼容性试验出现的问题分析与整改

天津电气科学研究院有限公司 邸净宇 王雅静 刘 斌 王 宾 董小兴

开关电源电磁兼容性试验出现的问题分析与整改

天津电气科学研究院有限公司 邸净宇 王雅静 刘 斌 王 宾 董小兴

随着电子科技的发展，越来越多种类的电子元件被发明使用，各种电子元件之间的出现电磁干扰现象，开关电源中的二极管或晶体管在大的电压电流作用下对外界产生不可忽略的电磁干扰，使得开关电源的电磁兼容问题比较突出。本文简单介绍了开关电源电磁干扰产生的原因及特点，并提出了在设计开关电源时一些避免电磁干扰的措施，最后给出了开关电源出现电磁干扰时整改思路，使开关电源在传导发射时到达电磁兼容。

电磁兼容；传导发射；开关电源

随着电子技术的发展和普及，各种个样的电子产品遍布了人们生活的空间，在人们生活的环境内充斥了不同频段的电磁波，不同的电磁波相互干扰，严重的电磁波干扰不可避免地对仪器设备的安装与使用产生一定影响。EMC(电磁兼容)这个问题已经在行业内受到关注。开关电源的电磁兼容性能成为开关电源的重要指标。与普通线性稳压电源相比，开关电源的效率高、功耗小、重量轻、体积小，这些特点突出了开关电源进行抗干扰研究的重要性。针对开关电源产生的电磁干扰(EMI)较强，并且其干扰信号幅度大、范围宽，还将污染电磁环境，传导发射和辐射发射成为解决电磁干扰必须解决的问题，其中传导发射更为严重。所以有必要通过一定的操作来减小其影响。首先认清开关电源产生传导干扰的原因是什么，找到产生干扰的位置，并弄清干扰发生的机理，在这些基础之上提出传导干扰的整改措施。

1.开关电源电磁干扰产生的成因

在开关电源中，其开关管频率普遍较高，在开关电源工作中，主要的元件二极管和晶体管工作时产生的电压和电流都很大，突然地跃变引起的峰值脉冲会造成对储能电感线圈、机架、高频变压器、接地平面、导线、供电电源、等元件工作性能产生威胁。特别是变压器型功率转换电路，其电流高次谐波干扰引起的脉冲跃变电压对电磁干扰起到重要作用，探究其内在原因为:变压器利用整流器将正弦波整流后形成多频率的电流，也就是单向脉动电流。单向脉冲电流的波形可分解成直流分量和若干个交流分量。

研究这种脉冲干扰发生的缘由，可以注意到存在的一些重要问题：首先，开关功率晶体管的负载大多数都是储能电感[1]。当开关管导通时，变压器能够产生大电流从而引起尖峰噪声峰值。引起的这个峰值噪声被称为尖脉冲，能够导致电流干扰出现，更为严重的可能造成开关管击穿损坏；其次，输入电流的畸变也会在一定程度上造成干扰的出现。在开关电源输入端往往使用桥式整流电容滤滤电路(如图1)，当开关电源工作时，桥式整流电容的滤波电容的充电时间相对较短，在这张情况下，就导致幅度高而宽度窄的脉冲电流出现，从而影响器件工作(如图2)。

对这种畸变电流进行傅氏变换的处理，会发现畸变的电流中富含多种谐波成分。进一步的数据分析说明，不论是辐射干扰还是传导干扰，都是因为输入高次谐波导致的谐波畸变，从而从整流二极管输出后导致干扰出现。这是因为，从反向电流恢复到零点的时间段主要由输出整流二级管截止时间确定，并且与结电容有关。如果反向电流恢复到零点的时间极短，则二极管会因为变压器漏感的存在导致强高频干扰出现[2]。

图1 桥式整流电容滤滤电路

图2 峰值高而宽度窄的脉冲电流

2.开关电源电磁干扰的特点

开关电源是一种在开关状态下工作的能量转换装置，开关电源在工作状态下，其电压与电流的数值都、处于较高的水平，此时很有可能发生电磁干扰现象[3]。开关电源的电磁干扰与数字电路相比，其发生的干扰源位置清晰，发生在功率开关期间，除此外与开关电源相连接的高平变压器及散热器也会产生干扰源。在开关电源的地磁干扰中，传导干扰及近场干扰是主要的干扰形式。

3.设计开关电源防电磁干扰的措施

想要降低开关电源电磁干扰的现象出现几率，在设计开关电源时就考虑这一点，在设计过程中采取措施降低电磁干扰发生的几率，具体措施为：在例如开关管的漏极、初次级绕组、集电极等噪音电路节点中，最大程度的降低PCB铜箔面积，在设置元件位置时，保持输入输出端与噪音元件的距离，例如变压器磁芯、线包、器件的散热片等。

因为工作状态下器件的外壳有接触外界接地线，所以噪音元件同时也要与外壳边缘保持距离，未遮蔽的变压器线包、磁芯等都为噪音元件。变压器如若没有进行电磁屏蔽处理，则开关电源的屏蔽体与散热片同变压器保持一定距离。次级输出整流器、栅极驱动线路、初级开关功率器件等电流环的面积都要最大程度地降低。初级开关电路或辅助整流电路不能与基极的驱动反馈环路发生混合。将阻尼的电阻值调整，以阻尼器在开关的死区时间内无振铃响声为合适。防止EMI滤波电感饱和。

确保拐弯节点和次级电路的元件与初级电路的屏蔽体或者开关管的散热片的处于一定距离。设计高频输入的EMI滤波器的位置处于靠近输入电缆或连接器端的地方。将高频输出的EMI滤波器也设置在近输出电线端子的地方。在辅助线圈的整流器电路设置上一定数量的电阻；给磁棒线圈并联合适的阻尼电阻；给输出RF滤波器的两端并联上合适的阻尼电阻[4]；将EMI滤波器的位置处于远离功率变压器的地方，特别避免定位在绕包的端部；如果PCB面积充足，则在PCB上设置屏蔽绕组用的脚位，同时预留放置RC阻尼器的地方，RC阻尼器可以在屏蔽绕组两端实现跨接。如若器件空间允许，可以在开关功率场效应晶体管的漏极与基极间设置小径向引线电容器。同样若空间条件允许，在直流输出端设置个小RC阻尼器。初级开关管的散热片与AC插座也要保持距离。

4.开关发射传导的整改思路

表1 给出了两类开关电源的传导骚扰的极限值。

表1 开关电源的输入端传导骚扰极限值

如果频率在1MHz范围内，则干扰以差模为主要因素，这是由于开关电源同交流电源输入中的环流引起的，这会使差模电流通过电源进线这一途径流入开关电源，再从中线流出开关电源。一般情况下的差模传导发射产生原因是功率晶体管极电流波形中存在的基波和谐波。故此状况下，决定差模骚扰电压调整与测试结果的只有滤波电容与滤波用差模电感。所以，抑制差模干扰的重要措施就是估算合适的滤波原件参数。

采取的整改措施是，适当的使X电容量增大；增加差模的电感；对于一些电源的功率小，则采用PI型的滤波器处理。

如果频率在5MHz以上，则以共摸干扰最强，共模干扰是由于共模电流造成的，平衡的共模电流同时在相线L和中线N上流动，两者相位相同，幅度相等。共模传导骚扰的发射主要是因为开关晶体管集电极电压变动所引起的，在这个过程中晶体管外壳与散热片之间的寄生电容耦合产生重要影响。所以，加接试电输入电路电源滤波器中的共模电容，及在晶体管外壳层与散热器加入屏蔽层，克服晶体管外壳与散热器片之间的分布电容，都可以有效的抑制共模传导骚扰。

整改方法是，如果是外壳接地，使用在地线上添加一个磁环绕2圈，这样的措施对于10MHz以上的干扰衰减明显。如果频率在25-30MHz，采用的主要措施是增强对地Y的电容，或者变压器外面包裹铜皮以及改变PCBLAYOUT，在输出线前端连接一个双线并最少绕10圈的小磁环[5]。与此同时，在输出整流管的两侧并联RC滤波器，采取调整Y2电容位置或者Y2电容量及相应参数值，用铜箔包裹变压器外部，同时在变压器内层添加屏蔽措施，然后各绕组的排布也需要重新调整。对PCBLAYOUT进行调整，在输出线前端添加一个小共模电感（双线绕），并联合适的滤波器，并调整相应参数[5]。

如果频率在1MHz-5MHz范围，差模与共模混合作用，则在输入端加入几种X电容消除差摸干扰，同时分析干扰超标的原因。采取的整改措施是，增加适当的差模电感器，根据需要调节差模电感量；同时也可通过改变整流二极管属性。

5.开关电源电磁干扰整改实例

对于某种开关电源传导发射的检测曲线不达标，采取的整改措施为：使X电容（C1）增加至0.47μF，同时将共模电感L2的电感量增加至16mH。经过上述整改，此开关的电源传导检测获得通过。如果是由于开关电路所造成的传导检测不合格，最为有效的整改措施就是增强电源输入端的滤波。消除差模干扰的方法是使用X电容，消除共模干扰的措施是增加共模电感，也为减小差模干扰提供一定作用。

6.结论

电子产品的使用越来越为广泛，而对于电子产品的电磁传导发射整改问题也长时间在大电流、高电压的条件下工作，因此这个过程会向外界传导发射很强的电磁干扰，所以开关电源的传导发射整改措施相对于其它产品而言更为复杂，实现电磁兼容难度较大，然而通过研究开关电源产生电磁干扰原理，可以清楚的了解其工作过程，这样就可以找到合适的整改办法，在实际工作中需要使传导发射电平及辐射发射电平下降至合适范围内，用以满足开关电源的电磁兼容性设计。

[1]杜建立,沈延峰．开关电源传导干扰分析与整改[J]．山东工业技术,2015(7)：128-129．

[2]于进杰,方龙,李学武,等．电磁兼容性设计[J]．科技资讯,2010(8)：125-125．

[3]于晓平,王新春．开关电源电磁干扰的原因分析及抑制措施[J]．济南教育学院学报,2000(1)：21-23．

[4]王凡,王志强．开关电源电磁干扰分析及抑制[J]．电源技术应用,2005,8(4)：26-30．

[5]周超,李春茂,朱峰,等．开关电源电磁兼容(EMC)研究[J]．通信电源技术,2004,21(2)：16-19．

[6]刘先锋,王连群,赵培均,等．开关电源电磁干扰抑制方法探讨[J]．通信电源技术,2011,28(3)：53-55．

邸净宇（1987—），男，河北秦皇岛人，大学本科，工程师，主要研究方向：电磁兼容检测。