電源輸入端口的電磁兼容設計白建雄(

1、電 源 輸 入 端 口 的 電 磁 兼 容 設 計 白 建 雄 ( 深 圳 市 中 興 通 訊 股 份 有 限 公 司 西 安 研 究 所 ， 陜西  西安 710065 )     摘  要 ： 分 析 了 開 關 電 源 輸 入 端 EMC設 計 的 原 理 ， 并 在 一 些 實 踐 基 礎 上 提 出 了 具 體 的 抑 制 EMI的 措 施 。     關 鍵 詞 ： 電 磁 兼 容 ； 電 磁 干 擾 ； 共 模 干 擾 ； 差 模 干 擾 ； 插 入 損 耗 ；

2、 失 配 Design on EMC of Input for Power Supply BAI Jian xong (Xian Research Institute of ZTE, Xi an Shaanxi 710065 China)      Abstract:The design principle on EMC of input for power supply is analyzed, and some methods for restraining EMI also are brought forwa

3、rd on the basis of practices.     Keywords:EMC; EMI; common mode interference; difference mode interference; insert dissipation; mismatch 0  引 言     開 關 電 源 一 般 都 采 用 脈 沖 寬 度 調 制 ( PWM) 技 術 ， 其 特 點 是 頻 率 高 ， 效 率 高 ， 功 率 密 度 高 ， 可 靠 性 高 。 然 而 ， 由 于 其

4、開 關 器 件 工 作 在 高 頻 通 斷 狀 態(tài) ， 高 頻 的 快 速 瞬 變 過 程 本 身 就 是 一 電 磁 騷 擾 ( EMD) 源 ， 它 產 生 的 EMI信 號 有 很 寬 的 頻 率 范 圍 ， 又 有 一 定 的 幅 度 。 若 把 這 種 電 源 直 接 用 于 數(shù) 字 設 備 ， 則 設 備 產 生 的 EMI信 號 會 變 得 更 加 強 烈 和 復 雜 。 本 文 從 開 關 電 源 的 工 作 原 理 出 發(fā) ， 探 討 抑 制 傳 導 干 擾 的 EMI濾 波 器 的 設 計 以 及 對 輻 射 EMI的 抑 制 。 1 

5、0; 開 關 電 源 產 生 EMI的 機 理     數(shù) 字 設 備 中 的 邏 輯 關 系 是 用 脈 沖 信 號 來 表 示 的 。 為 便 于 分 析 ， 把 這 種 脈 沖 信 號 適 當 簡 化 ， 用 圖 1所 示 的 脈 沖 串 表 示 。 根 據(jù) 傅 里 葉 級 數(shù) 展 開 的 方 法 ， 可 用 式 ( 1) 計 算 出 信 號 所 有 各 次 諧 波 的 電 平 。   式 中 ： An為 脈 沖 中 第 n次 諧 波 的 電 平 ；      

6、0;     Vo為 脈 沖 的 電 平 ；            T為 脈 沖 串 的 周 期 ；            tw為 脈 沖 寬 度 ；            tr為 脈 沖 的 上 升 時 間 和 下 降 時 間

7、。 開 關 電 源 具 有 各 式 各 樣 的 電 路 形 式 ， 但 它 們 的 核 心 部 分 都 是 一 個 高 電 壓 、 大 電 流 的 受 控 脈 沖 信 號 源 。 假 定 某 PWM開 關 電 源 脈 沖 信 號 的 主 要 參 數(shù) 為 ： Vo=500 V，T=2×105s，tw=105 s，tr=0.4× 10 6 s，則 其 諧 波 電 平 如 圖 2 所 示 。 圖 2 中 開 關 電 源 內 脈 沖 信 號 產 生 的 諧 波 電 平 ， 對 于 其 他 電 子 設 備 來 說 即 是 EMI信 號 ， 這 些 諧 波

8、 電 平 可 以 從 對 電 源 線 的 傳 導 干 擾 ( 頻 率 范 圍 為 0.15 30 MHz) 和 電 場 輻 射 干 擾 ( 頻 率 范 圍 為 30 1 000 MHz) 的 測 量 中 反 映 出 來 。 在 圖 2中 ， 基 波 電 平 約 160dBV， 500 MHz約 30dBV， 所 以 ， 要 把 開 關 電 源 的 EMI電 平 都 控 制 在 標 準 規(guī) 定 的 限 值 內 ， 是 有 一 定 難 度 的 。 2   開 關 電 源 EMI濾 波 器 的 電 路 設 計     當

9、 開 關 電 源 的 諧 波 電 平 在 低 頻 段 ( 頻 率 范 圍 0.15 30 MHz) 表 現(xiàn) 在 電 源 線 上 時 ， 稱 之 為 傳 導 干 擾 。 要 抑 制 傳 導 干 擾 相 對 比 較 容 易 ， 只 要 使 用 適 當 的 EMI濾 波 器 ， 就 能 將 其 在 電 源 線 上 的 EMI信 號 電 平 抑 制 在 相 關 標 準 規(guī) 定 的 限 值 內 。 要 使 EMI濾 波 器 對 EMI信 號 有 最 佳 的 衰 減 性 能 ， 則 濾 波 器 阻 抗 應 與 電 源 阻 抗 失 配 ， 失 配 越 厲 害 ， 實 現(xiàn) 的 衰 減 越 理 想 ，

10、 得 到 的 插 入 損 耗 特 性 就 越 好 。 也 就 是 說 ， 如 果 噪 音 源 內 阻 是 低 阻 抗 的 ， 則 與 之 對 接 的 EMI濾 波 器 的 輸 入 阻 抗 應 該 是 高 阻 抗 ( 如 電 感 量 很 大 的 串 聯(lián) 電 感 ) ； 如 果 噪 音 源 內 阻 是 高 阻 抗 的 ， 則 EMI濾 波 器 的 輸 入 阻 抗 應 該 是 低 阻 抗 ( 如 容 量 很 大 的 并 聯(lián) 電 容 ) 。 這 個 原 則 也 是 設 計 抑 制 開 關 電 源 EMI濾 波 器 必 須 遵 循 的 。 幾 乎 所 有 設 備 的 傳 導 干 擾 都 包 含

11、 共 模 噪 音 和 差 模 噪 音 ， 開 關 電 源 也 不 例 外 。 共 模 干 擾 是 由 于 載 流 導 體 與 大 地 之 間 的 電 位 差 產 生 的 ， 其 特 點 是 兩 條 線 上 的 雜 訊 電 壓 是 同 電 位 同 向 的 ； 而 差 模 干 擾 則 是 由 于 載 流 導 體 之 間 的 電 位 差 產 生 的 ， 其 特 點 是 兩 條 線 上 的 雜 訊 電 壓 是 同 電 位 反 向 的 。 通 常 ， 線 路 上 干 擾 電 壓 的 這 兩 種 分 量 是 同 時 存 在 的 。 由 于 線 路 阻 抗 的 不 平 衡 ， 兩 種 分 量 在 傳 輸 中

12、 會 互 相 轉 變 ， 情 況 十 分 復 雜 。 典 型 的 EMI濾 波 器 包 含 了 共 模 雜 訊 和 差 模 雜 訊 兩 部 分 的 抑 制 電 路 ， 如 圖 3 所 示 。  設 計 時 ， 必 須 使 共 模 濾 波 電 路 和 差 模 濾 波 電 路 的 諧 振 頻 率 明 顯 低 于 開 關 電 源 的 工 作 頻 率 ， 一 般 要 低 于 10 kHz， 即   在 實 際 使 用 中 ， 由 于 設 備 所 產 生 的 共 模 和 差 模 的 成 分 不 一 樣 ， 可 適 當 增 加 或 減 少 濾 波 元 件 。 具 體

13、 電 路 的 調 整 一 般 要 經 過 EMI試 驗 后 才 能 有 滿 意 的 結 果 ， 安 裝 濾 波 電 路 時 一 定 要 保 證 接 地 良 好 ， 并 且 輸 入 端 和 輸 出 端 要 良 好 隔 離 ， 否 則 ， 起 不 到 濾 波 的 效 果 。 開 關 電 源 所 產 生 的 干 擾 以 共 模 干 擾 為 主 ， 在 設 計 濾 波 電 路 時 可 嘗 試 去 掉 差 模 電 感 ， 再 增 加 一 級 共 模 濾 波 電 感 。 常 采 用 如 圖 4 所 示 的 濾 波 電 路 ， 可 使 開 關 電 源 的 傳 導 干 擾 下 降 了 近 30dB，

14、 比 CISOR 22標 準 的 限 值 低 了 近 6dB以 上 。 還 有 一 個 設 計 原 則 是 不 要 過 于 追 求 濾 波 效 果 而 造 成 成 本 過 高 ， 只 要 達 到 EMC標 準 的 限 值 要 求 并 有 一 定 的 余 量 ( 一 般 可 控 制 在 6dB左 右 ) 即 可 。 3   輻 射 EMI的 抑 制 措 施     如 前 所 述 ， 開 關 電 源 是 一 個 很 強 的 騷 擾 源 ， 它 來 源 于 開 關 器 件 的 高 頻 通 斷 和 輸 出 整 流 二 極

15、 管 反 向 恢 復 。 很 強 的 電 磁 騷 擾 信 號 通 過 空 間 輻 射 和 電 源 線 的 傳 導 而 干 擾 鄰 近 的 敏 感 設 備 。 除 了 功 率 開 關 管 和 高 頻 整 流 二 極 管 外 ， 產 生 輻 射 干 擾 的 主 要 元 器 件 還 有 脈 沖 變 壓 器 及 濾 波 電 感 等 。 雖 然 ， 功 率 開 關 管 的 快 速 通 斷 給 開 關 電 源 帶 來 了 更 高 的 效 益 ， 但 是 ， 也 帶 來 了 更 強 的 高 頻 輻 射 。 要 降 低 輻 射 干 擾 ， 可 應 用 電 壓 緩 沖 電 路 ， 如 在 開 關 管

16、兩 端 并 聯(lián) RCD緩 沖 電 路 ， 或 電 流 緩 沖 電 路 ， 如 在 開 關 管 的 集 電 極 上 串 聯(lián) 20 80 H的 電 感 。 電 感 在 功 率 開 關 管 導 通 時 能 避 免 集 電 極 電 流 突 然 增 大 ， 同 時 也 可 以 減 少 整 流 電 路 中 沖 擊 電 流 的 影 響 。 功 率 開 關 管 的 集 電 極 是 一 個 強 干 擾 源 ， 開 關 管 的 散 熱 片 應 接 到 開 關 管 的 發(fā) 射 極 上 ， 以 確 保 集 電 極 與 散 熱 片 之 間 由 于 分 布 電 容 而 產 生 的 電 流 流 入 主 電 路 中

17、 。 為 減 少 散 熱 片 和 機 殼 的 分 布 電 容 ， 散 熱 片 應 盡 量 遠 離 機 殼 ， 如 有 條 件 的 話 ， 可 采 用 有 屏 蔽 措 施 的 開 關 管 散 熱 片 。    整 流 二 極 管 應 采 用 恢 復 電 荷 小 ， 且 反 向 恢 復 時 間 短 的 ， 如 肖 特 基 管 ， 最 好 是 選 用 反 向 恢 復 呈 軟 特 性 的 。 另 外 在 肖 特 基 管 兩 端 套 磁 珠 和 并 聯(lián) RC吸 收 網 絡 均 可 減 少 干 擾 ， 電 阻 、 電 容 的 取 值 可 為 幾 和 數(shù) 千 pF， 電 容 引

18、 線 應 盡 可 能 短 ， 以 減 少 引 線 電 感 。 實 際 使 用 中 一 般 采 用 具 有 軟 恢 復 特 性 的 整 流 二 極 管 ， 并 在 二 極 管 兩 端 并 接 小 電 容 來 消 除 電 路 的 寄 生 振 蕩 。 負 載 電 流 越 大 ， 續(xù) 流 結 束 時 流 經 整 流 二 極 管 的 電 流 也 越 大 ， 二 極 管 反 向 恢 復 的 時 間 也 越 長 ， 則 尖 峰 電 流 的 影 響 也 越 大 。 采 用 多 個 整 流 二 極 管 并 聯(lián) 來 分 擔 負 載 電 流 ， 可 以 降 低 短 路 尖 峰 電 流 的 影 響 。

19、60;開 關 電 源 必 須 屏 蔽 ， 采 用 模 塊 式 全 密 封 結 構 ， 建 議 用 1 mm以 上 厚 度 的 鍍 鋅 鋼 板 ， 屏 蔽 層 必 須 良 好 接 地 。 在 高 頻 脈 沖 變 壓 器 初 、 次 級 之 間 加 一 屏 蔽 層 并 接 地 ， 可 以 抑 制 干 擾 的 電 場 耦 合 。 將 高 頻 脈 沖 變 壓 器 、 輸 出 濾 波 電 感 等 磁 性 元 件 加 上 屏 蔽 罩 ， 可 以 將 磁 力 線 限 制 在 磁 阻 小 的 屏 蔽 體 內 。 根 據(jù) 以 上 設 計 思 路 ， 對 輻 射 干 擾 超 過 標 準 限 值 20 d

20、B左 右 的 某 開 關 電 源 ， 采 用 了 一 些 在 實 驗 室 容 易 實 現(xiàn) 的 措 施 ， 進 行 了 如 下 的 改 進 ：     在 所 有 整 流 二 極 管 兩 端 并 470 pF電 容 ；     在 開 關 管 G極 的 輸 入 端 并 50 pF電 容 ， 與 原 有 的 39 電 阻 形 成 一 RC低 通 濾 波 器 ；     在 各 輸 出 濾 波 電 容 ( 電 解 電 容 ) 上 并 一 0.01 F電 容 ；  

21、;   在 整 流 二 極 管 管 腳 上 套 一 小 磁 珠 ；     改 善 屏 蔽 體 的 接 地 。 經 過 上 述 改 進 后 ， 該 電 源 就 可 以 通 過 輻 射 干 擾 測 試 的 限 值 要 求 。 4   結 語     隨 著 電 子 產 品 的 電 磁 兼 容 性 日 益 受 到 重 視 ， 抑 制 開 關 電 源 的 EMI， 提 高 電 子 產 品 的 質 量 ， 使 之 符 合 有 關 標 準 或 規(guī) 范 ， 已 成 為 電 子 產 品 設 計 者 越 來 越 關 注 的 問 題