摘要: 電磁干擾對開關電源的效率和安全性影響成為人們關注的熱點。文中分析了開關電源中電磁干擾產生的原因, 提出了抑制干擾的有效措施。

電磁兼容( Elect ro Magnet ic Compat ibility, 簡稱EMC) 是指電子設備或系統在其電磁環境能正常工作, 且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括電磁干擾( EMI ) 和電磁敏感( EMS) 兩方面的內容。EMI 是指電器產品向外發出干擾。EMS 是指電器產品抵抗電磁干擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性的設備應既不受周圍電磁噪聲的影響, 也不對周圍環境造成電磁干擾。電磁干擾的三個要素是干擾源、耦合通道和敏感體。抑制開關電源產生的干擾對保證電子系統的正常穩定運行具有十分重要的意義, 電磁干擾的抑制技術主要包括削弱干擾的能量, 隔離和減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁騷擾的抵抗能力等。本文分析了開關電源電磁干擾產生原因, 介紹了開關電源電磁干擾抑制技術及設計方法。

開關電源電磁干擾的產生
開關電源通常是將工頻交流電整流為直流電, 然后經過開關管的控制使其變為高頻, 再經過整流濾波電路輸出, 得到穩定的直流電壓。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電, 開關管高頻通斷, 輸出整流二極管的反向恢復等工作過程中產生了極高的di/ dt和du/dt , 形成了強烈的浪涌電流和尖峰電壓, 它是開關電源電磁干擾產生的最基本原因。另外, 開關管的驅動波形, MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀的周期波。因此, 其頻率是MHz 級別的, 這些高頻信號對開關電源的基本信號, 特別是控制電路的信號造成干擾。

1.1 輸入整流電路的諧波干擾
開關電源輸入端通常采用橋式整流、電容濾波電路。整流橋只有在脈動電壓超過輸入濾波電容上的電壓時才能導通, 電流才從市電電源輸入, 并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時電壓, 整流管便截止。所以, 輸入電路的電流是脈沖性質的, 并且有著豐富的高效諧波電流。這是因為整流電路的非線性特性, 整流橋交流側的電流嚴重失真。

而直流側的諧波次數是n 倍。所以, 整流電路直流側高頻諧波電流不僅使電路產生功率, 增加電路的無功功率, 而且高頻諧波會沿著傳輸線路產生傳導干擾和輻射干擾。

1.2 開關電路產生的干擾
開關電路在開關電源中起著關鍵的作用, 同時也是主要的干擾源之一。開關管負載為高頻變壓器初級線圈, 是感性負載。其在導通瞬間, 初級線圈產生很大的涌流, 并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓; 在斷開瞬間, 由于初級線圈的漏磁通, 致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈, 儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減震蕩, 疊加在關斷電壓上, 形成關斷電壓尖峰。如果尖峰有足夠高的幅度, 那么很有可能把開關管擊穿。

1.3 高頻變壓器產生的共模傳導騷擾
高頻變壓器是開關電源中實現能量儲存、隔離、輸出、電壓變換的重要部件, 它的漏感和分布電容對電路的電磁兼容性能產生較大的影響。由于初級線圈有漏磁通, 致使一部分能量沒有傳輸到次級線圈, 而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上, 形成關斷電壓尖峰, 產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變, 這個噪聲會傳導到輸入、輸出端, 形成傳導騷擾, 重者有可能擊穿開關管。另外, 高頻變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。

在開關電源的調頻變壓器初次級之間存在著分布電容。用一個裝置電容( 裝置對地的分布電容) 來與整個開關電源等效, 就形成了干擾通道。共模干擾通過變壓器的耦合電容, 經過裝置電容再返回大地, 就得到一個由變壓器耦合電容與裝置電容構成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射, 形成輻射騷擾。

1.4 分布及寄生參數引起的開關電源噪聲
開關電源的分布參數是多數干擾的內在因素, 開關電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及開關電源與散熱器之間的分布電容傳輸的。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關。開關電源與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。

在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性, 對其工作狀態產生影響。高頻工作時導線變成了發射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路, 當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為了保證開關電源在高頻工作時的穩定性, 設計開關電源時要充分考慮元件在高頻工作時的特性,選擇使用高頻特性比較好的元件。另外, 在高頻時, 導線寄生電感的感抗顯著增加, 由于電感的不可控性, 最終使其變成一根發射線, 也就成為了開關電源中的輻射干擾源。

2. 抑制電磁干擾的措施
開關電源存在著共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式。根據前面分析的電磁干擾源, 結合它們的耦合途徑, 可以從EMI 濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個方面來抑制干擾, 把電磁干擾衰減到允許限度之內。

2.1 交流輸入EMI 濾波器
濾波是一種抑制傳導干擾的方法, 在電源輸入端接上濾波器可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害, 也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元, 在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。電源進線端通常采用如圖1 所示的EMI 濾波器電路。該電路可以有效地抑制交流電源輸入端的低頻差模騷擾和高頻段共模騷擾。在電路中, 跨接在電源兩端的差模電容Cx1、Cx2 ( 亦稱X 電容) 用于濾除差模干擾信號, 一般采用陶瓷電容器或聚脂薄膜電容器, 電容值通常取0.1~ 0. 47F。而中間連線接地的共模電容Cy1和Cy2 ( 亦稱Y 電容) 則用來短路共模噪聲電流, 取值范圍通常為C1=C2 # 2 200 pF。抑制電感L1、L2 通常取100~ 130H, 共模扼流圈L 是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成, 通常要求其電感量L#15~ 25 mH。當負載電流渡過共模扼流圈時, 串聯在火線上的線圈所產生的磁力線和串聯在零線上線圈所產生的磁力線方向相反, 它們在磁芯中相互抵消。因此, 即使在大負載電流的情況下, 磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流, 兩個線圈產生的磁場是同方向的, 會呈現較大電感, 從而起到衰減共模干擾信號的作用。

2.2 利用吸收電路
開關電源產生EMI 的主要原因是電壓和電流的急劇變化, 因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率( du/ dt 和di/ dt ) 。采取吸收電路能夠抑制EMI, 其基本原理就是在開關關斷時為其提供旁路, 吸收積蓄在寄生分布參數中的能量, 從而抑制干擾的發生。可以在開關管兩端并聯如圖2( a) 所示的RC 吸收電路, 開關管或二極管在開通和關斷過程中, 管中產生的反向尖峰電流和尖峰電壓, 可以通過緩沖的方法予以克服。緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率, 這對于半導體器件使用的安全性非常有好處。與此同時, 緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成份, 有益于降低射頻輻射的能量。箝位電路主要用來防止半導體器件和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路保護作用和開關電源的效率要求,TVS 管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1. 5倍。當TVS 上的電壓超過一定幅度時, 器件迅速導通, 從而將浪涌能量泄放掉, 并將浪涌電壓的幅值限制在一定的幅度。在開關管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯帶可飽和磁芯線圈或微晶磁珠, 材質一般為鈷, 當通過正常電流時磁芯飽和, 電感量非常小。一旦電流要反向流過時, 它將產生非常大的反電勢, 這樣就能有效地抑制二極管的反向浪涌電流。

2.3 屏蔽措施
抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽。可以用導電性能良好的材料對電場進行屏蔽, 用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。為了防止變壓器的磁場泄漏, 使變壓器初次級耦合良好, 可以利用閉合磁環形成磁屏蔽,如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E 型的小很多。開關電源的連接線, 電源線都應該使用具有屏蔽層的導線,盡量防止外部干擾耦合到電路中。或者使用磁珠、磁環等EMC 元件, 濾除電源及信號線的高頻干擾。但是, 要注意信號頻率不能受到EMC 元件的干擾, 也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個開關電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性, 接縫處要符合EMC規定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關電源既不受外部電磁環境的干擾也不會對外部電子設備產生干擾。

2.4 變壓器的繞制
在設計高頻變壓器時必須把漏感減到最小。因為漏感越大, 產生的尖峰電壓幅值越高, 漏極箝位電路的損耗就越大, 這必然導致電源效率降低。減小變壓器的漏感通常采用減少原邊繞組的匝數、增大繞組的寬度、減小各繞組之間的絕緣層等措施。

變壓器主要的寄生參數為漏感、繞組間電容、交叉耦合電容。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個系統提供了通路。

在變壓器的繞制過程中采用法拉第屏蔽來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡單來說就是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間, 形成一個表面屏蔽層隔離區, 并接地, 其中原邊繞組和副邊繞組交錯繞制, 以減小交叉耦合電容。在安裝規程上一般要求散熱器接地, 那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路, 可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。

2.5 接地技術的應用
開關電源需要重視地線的連接, 地線承擔著參考電平的重任, 特別是控制電路的參考地, 如電流檢測電阻的地電平和無隔離輸出的分壓電阻的地電平。

( 1) 設備的信號接地。設備的信號接地, 可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。如浮地和混合接地, 另外還有單點接地和多點接地。

( 2) 設備接大地。在工程實踐中, 除認真考慮設備內部的信號接地外, 通常還將設備的信號地, 機殼與大地連在一起, 以大地作為設備的接地參考點。

控制信號的地電平衰減應盡可能的小, 因此, 采用控制部分一點接地, 然后將公共連接點再單點接至功率地。這種接地方式可以使噪聲源和敏感電路分離。另外, 地線盡量鋪寬, 對空白區域可敷銅填滿, 力求降低地電平誤差和EMI。

在裝置中盡量采用表面貼裝元器件, 使組裝密度更高, 體積更小, 重量更輕, 可靠性更高, 高頻特性好,減小電磁和射頻干擾。

2.6 PCB 元件布局及走線
PCB 中帶狀線、電線、電纜間的串間是印刷電路板線路中存在最難克服的問題之一[ 7] 。開關電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小、通路的環路面積、以及電流頻率的平方的乘積成正比, 因此PCB 的布局設計將直接關系到整機電磁兼容性能。在設計開關電源印制電路板時, 必須從布局及走線的優化設計著手。

( 1) 印制板布線地通常要符合以下原則
1、 輸入、輸出端用的導線應盡量避免相鄰平等。最好加線間地線, 以免發生反饋耦合;
2、 印制板導線盡量采用寬線, 尤其是電源線和地線;
3、 印制導線拐彎處一般采取圓弧形;
4、專用零伏線、電源線的走線寬度(1 mm, 電源線和地線盡可能靠近等。

( 2) 元器件布局時通常要符合以下原則
1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置, 使布局便于信號流通, 并使信號盡可能保持一致的方向。

2、 以每個功能電路的核心元件為中心, 圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上, 盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

3、 在高頻下工作的電路, 要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平等排列。

4、位于電路板邊緣的元器件, 離電路板邊緣的距離一般不小于2 mm。

3. 結束語
開關電源體積越來越小, 功率密度越來越大,EMI/ EMC 問題成為了開關電源穩定性的一個關鍵因素, 也越來越受到人們的重視。開關電源的電磁兼容控制策略與控制技術方案有很多, 如通過對干擾的傳輸通道進行抑制、空間進行分離、時間進行分隔、頻率管理、電氣隔離等。在開關電源設計時只有綜合運用各種電磁干擾抑制技術才能有效提高開關電源的電磁兼容性, 真正滿足各種場合的需要。