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開(kāi)關(guān)電源在進(jìn)行EMI測(cè)試時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題

DCUU| 2023-09-07|返回列表

目前，電子產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，尤其是世界上發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)形成了一套完整的電磁兼容體系，同時(shí)我國(guó)也正在建立電磁兼容體系，因此，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容是進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的通行證。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，由于開(kāi)關(guān)管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對(duì)外界會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，因此開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射相對(duì)其它產(chǎn)品來(lái)說(shuō)更加難以實(shí)現(xiàn)電磁兼容，但如果我們對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原理了解清楚后，就不難找到合適的對(duì)策，將傳導(dǎo)發(fā)射電平和輻射發(fā)射電平降到合適的水平，實(shí)現(xiàn)電磁兼容性設(shè)計(jì)。

開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理及其傳播途徑

功率開(kāi)關(guān)器件的高額開(kāi)關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開(kāi)關(guān)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(dǎo)致了更為嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。通常傳導(dǎo)干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學(xué)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，對(duì)電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究；但對(duì)輻射干擾而言，由于電路中存在不同干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場(chǎng)理論，分析起來(lái)比較困難。下面將對(duì)這兩種干擾的機(jī)理作一簡(jiǎn)要的介紹。

傳導(dǎo)干擾可分為共模（Common Mode-CM）干擾和差模（Differential Mode-DM）干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)通與關(guān)斷，使得開(kāi)關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。

共模（CM）干擾

變換器工作在高頻情況時(shí)，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開(kāi)關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。

根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用以下幾種抑制方法：

1.優(yōu)化電路器件布置，盡量減少寄生、耦合電容。

2.延緩開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間。但是這與開(kāi)關(guān)電源高頻化的趨勢(shì)不符。

3.應(yīng)用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。

差模（DM）干擾

開(kāi)關(guān)變換器中的電流在高頻情況下作開(kāi)關(guān)變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生差模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

輻射干擾的產(chǎn)生和傳播

輻射干擾又可分為近場(chǎng)干擾〔測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離<λ/6（λ為干擾電磁波波長(zhǎng)）〕和遠(yuǎn)場(chǎng)干擾（測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離>λ/6）。由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開(kāi)關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可認(rèn)為是天線，可以應(yīng)用電偶極子和磁偶極子理論來(lái)分析。分析時(shí)，二極管、開(kāi)關(guān)管、電容等可看成電偶極子；電感線圈可以認(rèn)為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場(chǎng)理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時(shí)間內(nèi)上升和下降的，因此，開(kāi)關(guān)電源本身是一個(gè)噪聲發(fā)生源。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來(lái)分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。使電源產(chǎn)生的干擾不至于對(duì)電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源，或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑。

按噪聲干擾源來(lái)分別說(shuō)明

1、二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾

交流輸入電壓經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動(dòng)電壓，經(jīng)電容平滑后變?yōu)橹绷?，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(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。另外，由于電流是脈沖波，使電源輸入功率因數(shù)降低。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò)，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。

2、開(kāi)關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾

功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過(guò)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(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開(kāi)關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開(kāi)關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。

3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過(guò)輸入輸出線傳播時(shí)，都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

4、其他原因

元器件的寄生參數(shù)，開(kāi)關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)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(chǎng)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(huì)造成EMI干擾。這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度。

Flyback架構(gòu)noise在頻譜上的反應(yīng)

0.15MHz處產(chǎn)生的振蕩是開(kāi)關(guān)頻率的3次諧波引起的干擾；

0.2MHz處產(chǎn)生的振蕩是開(kāi)關(guān)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(qiáng)；

0.25MHz處產(chǎn)生的振蕩是開(kāi)關(guān)頻率的5次諧波引起的干擾；

0.35MHz處產(chǎn)生的振蕩是開(kāi)關(guān)頻率的7次諧波引起的干擾；

0.39MHz處產(chǎn)生的振蕩是開(kāi)關(guān)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(chǎn)生的振蕩是Diode振蕩1（1.31MHz）的基波引起的干擾；

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

開(kāi)關(guān)管、整流二極管的振蕩會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾

開(kāi)關(guān)電源EMI的特點(diǎn)

作為工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開(kāi)關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開(kāi)關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開(kāi)關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)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(shù)的提取和近場(chǎng)干擾的難度。

設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)防止EMI的措施

把噪音電路節(jié)點(diǎn)的PCB銅箔面積最大限度地減小，如開(kāi)關(guān)管的漏極、集電極、初次級(jí)繞組的節(jié)點(diǎn)等；

使輸入和輸出端遠(yuǎn)離噪音元件，如變壓器線包、變壓器磁芯、開(kāi)關(guān)管的散熱片等等；

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(kāi)關(guān)管等等）遠(yuǎn)離外殼邊緣，因?yàn)樵谡２僮飨峦鈿み吘壓芸赡芸拷饷娴慕拥鼐€；

如果變壓器沒(méi)有使用電場(chǎng)屏蔽，要保持屏蔽體和散熱片遠(yuǎn)離變壓器；

盡量減小以下電流環(huán)的面積：次級(jí)（輸出）整流器、初級(jí)開(kāi)關(guān)功率器件、柵極（基極）驅(qū)動(dòng)線路、輔助整流器；

不要將門極（基極）的驅(qū)動(dòng)返饋環(huán)路和初級(jí)開(kāi)關(guān)電路或輔助整流電路混在一起；

調(diào)整優(yōu)化阻尼電阻值，使它在開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間里不產(chǎn)生振鈴響聲；

防止EMI濾波電感飽和；

使拐彎節(jié)點(diǎn)和次級(jí)電路的元件遠(yuǎn)離初級(jí)電路的屏蔽體或者開(kāi)關(guān)管的散熱片；

保持初級(jí)電路的擺動(dòng)的節(jié)點(diǎn)和元件本體遠(yuǎn)離屏蔽或者散熱片；

使高頻輸入的EMI濾波器靠近輸入電纜或者連接器端；

保持高頻輸出的EMI濾波器靠近輸出電線端子；

使EMI濾波器對(duì)面的PCB板的銅箔和元件本體之間保持一定距離；

在輔助線圈的整流器的線路上放一些電阻；

在磁棒線圈上并聯(lián)阻尼電阻；

在輸出RF濾波器兩端并聯(lián)阻尼電阻；

在PCB設(shè)計(jì)時(shí)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(jí)的靜端和輔助繞組之間；

保持EMI濾波器遠(yuǎn)離功率變壓器，尤其是避免定位在繞包的端部；

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；

空間允許的話在開(kāi)關(guān)功率場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和門極之間放一個(gè)小徑向引線電容器（米勒電容，10皮法/1千伏電容）；

空間允許的話放一個(gè)小的RC阻尼器在直流輸出端；

不要把AC插座與初級(jí)開(kāi)關(guān)管的散熱片靠在一起。

輻射方面EMI對(duì)策

輻射在30～300MHz頻段內(nèi)出現(xiàn)寬帶噪聲超標(biāo)

1.通過(guò)在電源線上增加去耦磁環(huán)（可開(kāi)合）進(jìn)行驗(yàn)證，如果有改善則說(shuō)明和電源線有關(guān)系，采用以下整改方法：如果設(shè)備有一體化濾波器，檢查濾波器的接地是否良好，接地線是否盡可能短；

2.金屬外殼的濾波器的接地最好直接通過(guò)其外殼和地之間的大面積搭接。檢查濾波器的輸入、輸出線是否互相靠近。適當(dāng)調(diào)整X/Y電容的容值、差模電感及共模扼流圈的感量；調(diào)整Y電容時(shí)要注意安全問(wèn)題；改變參數(shù)可能會(huì)改善某一段的輻射，但是卻會(huì)導(dǎo)致另外頻度變差，所以需要不斷的試，才能找到最好的組合。適當(dāng)增大觸發(fā)極上的電阻值不失為一個(gè)好辦法；也可在開(kāi)關(guān)管晶體管的集電極（或者是MOS管的漏極）或者是次級(jí)輸出整流管對(duì)地接一個(gè)小電容也可以有效減小共模開(kāi)關(guān)噪聲。

3.開(kāi)關(guān)電源板在PCB布線時(shí)一定要控制好各回路的回流面積，可以大大減小差模輻射。在PCB電源走線中增加104/103電容為電源去耦；在多層板布線時(shí)要求電源平面和地平面緊鄰；在電源線上套磁環(huán)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，以后可以通過(guò)在單板上增加共模電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者在電纜上注塑磁環(huán)。輸入AC線的L線的長(zhǎng)度盡量短；屏蔽設(shè)備內(nèi)部，孔縫附近是否有干擾源；結(jié)構(gòu)件搭接處是否噴有絕緣漆，采用砂布將絕緣漆擦掉，作比較試驗(yàn)。檢查接地螺釘是否噴有絕緣漆，是否接地良好。

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