浅谈电源适配器电磁干扰设计及优化整改方案

林 伟

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

电磁兼容性能是衡量电源适配器可靠性的重要指标，国际电工委员会把电磁兼容的定义为：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不会对其他系统和设备造成干扰。电磁兼容分为电磁干扰（EMI）及电磁耐受性（EMS）两部分，EMI即电磁干扰，是指设备本身工作工程中所产生不利于其它系统的电磁噪声，国外以及国内也针对电源适配器的电磁兼容制定了专项测试管控标准。因此合格的电源适配器必须要符合电磁兼容标准要求[1]，而电磁干扰更是电源适配器实际设计开发过程中的重点难题，测试EMI需要专业实验设备和实验室资源，没有方法和专业技巧的盲目设计只会浪费设计人员大量的时间和精力，相信很多设计者在电磁干扰方面都吃过苦头，可能很多设计者有过通过优化变压器整改EMI的经历，变压器厂商也会告诉关于变压器的优化经验，本文就不再介绍了，因为电源适配器的主体设计在电路方面，大部分设计人员也是从事该领域相关工作，下面就从电路设计角度介绍几个电源适配器在电磁干扰设计以及优化整改方面的实用技巧。

1 合理取舍滤波电路

电源适配器前级交流输入拓扑中通常会使用滤波电路，对电磁噪声及杂波信号进行抑制作用，防止对电源本身干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰，是抑制EMI有效方法。如图1所示，滤波电路适用于大多数电源适配器，其中CX为X电容、L1为共模电感（个别电路也有使用差模电感的，要区分主要干扰类型），共同组成了前级滤波，在几十W以上的电源适配器电路中绝大多数是不能省掉的，C和L要根据滤波电路的截止频率和对应测试频率进行计算，注意关注共模电感的频率与阻抗特征曲线，选型应用时对应测试频率范围在较高阻抗范围内对干扰的抑制效果最优；另外建议CX1和CX2选型量级上要拉开倍数，形成带宽滤波效果，调整X电容对特定窄频段会有效果，而L1调整可能会影响较大频段范围，而且可能会对骚扰功率（DP）和骚扰电压（DV）都有影响，所以建议设计者最先确定L1选型，再进行后续电路的优化EMI调整，带地线插头的可能还会使用到Y电容，由于实际电源适配器的共模干扰路径复杂且叠加作用[2]，通常仿真起来较为困难，难以仿真到精准，有测试条件的可以针对共模电感进行插入损耗测试，会帮助你更合理的选型设计滤波电路。大功率电源适配器如果空间足够的，建议在CX1前预留再预留一个共模电感，两个共模电感感量也要拉开量级，组成多级带通滤波电路，EMI抑制效果会更佳。设计人员在PCB设计布线时，要注意L与N线并行，满足安规距离前提下尽量减小差模回路面积，并且PCB布局上注意和后级高频开关电路走线尽量拉远，避免耦合干扰，如图2所示。

图1 强电滤波

图2 共模电感频率阻抗特征曲线

2 RCD电路细节调整

RCD是另一个优化EMI的调整手段，在反激拓扑结构电源中，开关管由导通变为截止时，由于高频变压器漏感的存在，在变压器器一次绕组上会产生尖峰电压，该尖峰电压和直流高压以及次级感应电压叠加对开关管产生较高的应力，RCD起到吸收和嵌位作用保护开关管；尽管如此由于开关管频繁开关，电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较高的电压尖峰：UL=LdiL/dt；在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较高的电流尖峰：ic=Cduc/dt。合理的RCD参数选型搭配，可以一定程度上可以减小电压/电流变化率从而减小EMI干扰；首先根据功率开关管应力以及电源效率等方面选型确认RCD参数后，可以适当调整相关参数优化EMI。如图3、4所示，为电路拓扑，这里给大家介绍几个实用的工程经验：R量级为几十K～几百K，电容C通常为几nF，二极管D通常选用快恢复二极管管，但在实际开发测试过程过程中，反向恢复更长的二极管能够抑制漏感引起的谐振，例如慢管4007（反向恢复时间1 000 ns以上）在较多开发案例中对EMI抑制效果要优于FR107（反向恢复时间150 ns以上）；但要注意使用慢管时损耗问题，要测试评估器件温升和电源效率等相关问题；另外一个实用技巧，下方的拓扑电路对比常规电路增加了电阻r,与二极管串联，可以起到抑制振荡的作用，尤其对辐射测试有较好效果，r选型量级通常为几十Ω，过大要注意该电阻损耗。最后总结并给设计者建议，RCD电路选型涉及开关管应力、器件损耗、电源效率和工作稳定性，设计者在根据工程经验量级调整的同时，要进行相关方面的包括工作波形的全面测试评估。

图3 RCD电路

图4 开关电源波形（Vds）

3 巧用磁环滤波优化EMI

除了电路元件参数调整以外，利用磁环优化EMI也是常用的有效手段。相信大多设计者对磁环并不陌生，大多选用铁氧体作为制作磁芯材料，作用机理上属于吸收型滤波器范畴，在特定频段范围表现为较高阻抗特性从而起到滤波作用，尤其对高频噪声具有良好的抑制效果。磁环除了缠绕在电源线或者信号线上的形势之外，在电源适配器的设计中还可以使用如下这种套在元件引脚上的精细小磁环，功率开关管、整流二极管是影响EMI的关键器件[3]，如图5所示，这种磁环是相关行业厂商专门为此设计，可以套在对应器件引脚上面，在本人一个实际设计中，骚扰功率测试不合格，电路使用的TO-252封装型式的整流二极管，引脚直径约为1.2 mm左右，专门选型了这种小磁环，中心通孔尺寸C为1.4 mm，壁厚也满足要求二极管引脚间距，刚好可以套在引脚上，根据不合格频段结合磁环的“频率阻抗-特性曲线”选型对应磁环，使用后测试终扫数据上可以提升约几dB，效果也是比较明显，电源适配器设计中如果电路元件参数本身已经没有明显优化方案，可以采用该方法。另外要特别关注磁环的频率阻抗-特性曲线，通常磁环要在对应不合格频率段附近呈现较大阻抗才会对EMI有明显效果。虽然功率开关管和整流二极管可以通过增加磁珠的方式抑制噪声干扰，但是不推荐盲目增加，虽然成本不高但是影响实际生产装配效率，合理并且代价最小的优化手段才是优秀设计者的方案，这里共享给大家一个鉴别噪声干扰大小的方法，我们使用近场探头靠近功率开关管和整流二极管测试，可以对比两个位置的噪声大小并结合频率数据初步判断测试频段的主要噪声干扰位置，针对性的进行优化。

图5 磁珠结构示意图

图6 磁珠阻抗特性曲线

4 结论

本文从电路设计角度出发，结合实际电源适配器的开发案例以及多年开关电源设计经验，跟设计者及读者们分享几个优化电磁干扰设计的有效方法，分别是合理取舍滤波电路、RCD电路细节调整以及巧用磁环滤波，同时也阐述了滤波走线的注意要点以及关键器件参数选型的注意事项，电源适配器的电磁干扰是磁场和电场叠加的一个相对复杂场景，在实际设计中除了理论和仿真务必要结合实际测试，测试过程中通过控制变量法针对性测试和整改，电磁干扰优化调整的同时要注意对整个电源系统做个全面测试评估，希望本文提到的相关内容能帮助到大家，后续会继续跟大家分享电源适配器设计相关经验，同时也希望与众多设计者进行技术交流。