開關電源電磁干擾的產生機理及其傳播途徑

 

    功率開關器件的高額開關動作是導致開關電源產生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面也導致了更為嚴重的EMI問題。開關電源工作時，其內部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內上升和下降的，因此，開關電源本身是一個噪聲發生源。開關電源產生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。使電源產生的干擾不至于對電子系統和電網造成危害的根本辦法是削弱噪聲發生源，或者切斷電源噪聲和電子系統、電網之間的耦合途徑。現在按噪聲干擾源來分別說明：

 

1、二極管的反向恢復時間引起的干擾

    交流輸入電壓經功率二極管整流橋變為正弦脈動電壓，經電容平滑后變為直流，但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波。由電流波形可知，電流中含有高次諧波。大量電流諧波分量流入電網，造成對電網的諧波污染。另外，由于電流是脈沖波，使電源輸入功率因數降低。

    高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。

 

2、開關管工作時產生的諧波干擾

    功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產生尖峰干擾。

 

3、交流輸入回路產生的干擾

    無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

 

4、其他原因

    元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度。

 

Flyback架構noise在頻譜上的反應

0.15MHz處產生的振蕩是開關頻率的3次諧波引起的干擾。

0.2MHz處產生的振蕩是開關頻率的4次諧波和Mosfet振蕩2(190.5KHz)基波的迭加，引起的干擾；所以這部分較強。

0.25MHz處產生的振蕩是開關頻率的5次諧波引起的干擾；

0.35MHz處產生的振蕩是開關頻率的7次諧波引起的干擾；

NG-BOTTOM：0px；WIDOWS：2；TEXT-TRANSFORM：none；TEXT-INDENT：2em；MARGIN：10px25px0px；PADDING-LEFT：0px；PADDING-RIGHT：0px；FONT：14px/22px宋體，Georgia，verdana，serif；WHITE-SPACE：normal；ORPHANS：2；LETTER-SPACING：normal；COLOR：rgb(68，68，68)；WORD-SPACING：0px；PADDING-TOP：0px；-webkit-text-size-adjust：auto；-webkit-text-stroke-width：0px">0.39MHz處產生的振蕩是開關頻率的8次諧波和Mosfet振蕩2(190.5KHz)基波的迭加引起的干擾；

 

1.31MHz處產生的振蕩是Diode振蕩1(1.31MHz)的基波引起的干擾；

3.3MHz處產生的振蕩是Mosfet振蕩1(3.3MHz)的基波引起的干擾；

開關管、整流二極管的振蕩會產生較強的干擾。

 

設計開關電源時防止EMI的措施：

1.把噪音電路節點的PCB銅箔面積最大限度地減小；如開關管的漏極、集電極，初次級繞組的節點，等。

2.使輸入和輸出端遠離噪音元件，如變壓器線包，變壓器磁芯，開關管的散熱片，等等。

3.使噪音元件(如未遮蔽的變壓器線包，未遮蔽的變壓器磁芯，和開關管，等等)遠離外殼邊緣，因為在正常操作下外殼邊緣很可能靠近外面的接地線。

4.如果變壓器沒有使用電場屏蔽，要保持屏蔽體和散熱片遠離變壓器。

5.盡量減小以下電流環的面積：次級(輸出)整流器，初級開關功率器件，柵極(基極)驅動線路，輔助整流器。

6.不要將門極(基極)的驅動返饋環路和初級開關電路或輔助整流電路混在一起。

7.調整優化阻尼電阻值，使它在開關的死區時間里不產生振鈴響聲。

8.防止EMI濾波電感飽和。

9.使拐彎節點和次級電路的元件遠離初級電路的屏蔽體或者開關管的散熱片。

10.保持初級電路的擺動的節點和元件本體遠離屏蔽或者散熱片。

11.使高頻輸入的EMI濾波器靠近輸入電纜或者連接器端。

12.保持高頻輸出的EMI濾波器靠近輸出電線端子。

13.使EMI濾波器對面的PCB板的銅箔和元件本體之間保持一定距離。

14.在輔助線圈的整流器的線路上放一些電阻。

15.在磁棒線圈上并聯阻尼電阻。

16.在輸出RF濾波器兩端并聯阻尼電阻。

17.在PCB設計時允許放1nF/500V陶瓷電容器或者還可以是一串電阻，跨接在變壓器的初級的靜端和輔助繞組之間。

18.保持EMI濾波器遠離功率變壓器；尤其是避免定位在繞包的端部。

19.在PCB面積足夠的情況下，可在PCB上留下放屏蔽繞組用的腳位和放RC阻尼器的位置，RC阻尼器可跨接在屏蔽繞組兩端。

20.空間允許的話在開關功率場效應管的漏極和門極之間放一個小徑向引線電容器(米勒電容，10皮法/1千伏電容)。

21.空間允許的話放一個小的RC阻尼器在直流輸出端。

22.不要把AC插座與初級開關管的散熱片靠在一起。

 

開關電源EMI的特點

 

    作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高(從幾十千赫和數兆赫茲)，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾；而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度。

    1MHZ以內----以差模干擾為主，增大X電容就可解決

    1MHZ---5MHZ---差模共模混合，采用輸入端并一系列X電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標并解決；

    5M---以上以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法.對于外殼接地的，在地線上用一個磁環繞2圈會對10MHZ以上干擾有較大的衰減(diudiu2006)；對于25--30MHZ不過可以采用加大對地Y電容、在變壓器外面包銅皮、改變PCBLAYOUT、輸出線前面接一個雙線并繞的小磁環，最少繞10圈、在輸出整流管兩端并RC濾波器。

    30---50MHZ普遍是MOS管高速開通關斷引起，可以用增大MOS驅動電阻，RCD緩沖電路采用1N4007慢管，VCC供電電壓用1N4007慢管來解決.

    100---200MHZ普遍是輸出整流管反向恢復電流引起，可以在整流管上串磁珠

    100MHz-200MHz之間大部分出于PFCMOSFET及PFC二極管，現在MOSFET及PFC二極管串磁珠有效果，水平方向基本可以解決問題，但垂直方向就很無奈了。

    開關電源的輻射一般只會影響到100M以下的頻段.也可以在MOS，二極管上加相應吸收回路，但效率會有所降低。

 

1MHZ以內----以差模干擾為主

    1.增大X電容量；

    2.添加差模電感；

    3.小功率電源可采用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。1MHZ---5MHZ---差模共模混合，采用輸入端并聯一系列X電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標并以解決：

    1.對于差模干擾超標可調整X電容量，添加差模電感器，調差模電感量；

    2.對于共模干擾超標可添加共模電感，選用合理的電感量來抑制；

    3.也可改變整流二極管特性來處理一對快速二極管如FR107一對普通整流二極管1N4007。

    5M---以上以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法

    對于外殼接地的，在地線上用一個磁環串繞2-3圈會對10MHZ以上干擾有較大的衰減作用；可選擇緊貼變壓器的鐵芯粘銅箔，銅箔閉環.處理后端輸出整流管的吸收電路和初級大電路并聯電容的大小。

 

對于20--30MHZ，

1.對于一類產品可以采用調整對地Y2電容量或改變Y2電容位置；

2.調整一二次側間的Y1電容位置及參數值；

3.在變壓器外面包銅箔；變壓器最里層加屏蔽層；調整變壓器的各繞組的排布。

4.改變PCBLAYOUT；

5.輸出線前面接一個雙線并繞的小共模電感；

6.在輸出整流管兩端并聯RC濾波器且調整合理的參數；

7.在變壓器與MOSFET之間加BEADCORE；

8.在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容。

9.可以用增大MOS驅動電阻.

30---50MHZ普遍是MOS管高速開通關斷引起，

1.可以用增大MOS驅動電阻；

2.RCD緩沖電路采用1N4007慢管；

3.VCC供電電壓用1N4007慢管來解決；

4.或者輸出線前端串接一個雙線并繞的小共模電感；

5.在MOSFET的D-S腳并聯一個小吸收電路；

6.在變壓器與MOSFET之間加BEADCORE；

7.在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容；

8.PCB心LAYOUT時大電解電容，變壓器，MOS構成的電路環盡可能的小；

9.變壓器，輸出二極管，輸出平波電解電容構成的電路環盡可能的小。

 

50---100MHZ普遍是輸出整流管反向恢復電流引起，

1.可以在整流管上串磁珠；

2.調整輸出整流管的吸收電路參數；

3.可改變一二次側跨接Y電容支路的阻抗，如PIN腳處加BEADCORE或串接適當的電阻；

4.也可改變MOSFET，輸出整流二極管的本體向空間的輻射(如鐵夾卡MOSFET；鐵夾卡DIODE，改變散熱器的接地點)。

5.增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射.

    200MHZ以上開關電源已基本輻射量很小，一般可過EMI標準。