高频开关电源的EMC设计

摘  要：阐述高频开关电源主电路的组成，针对高频开关电源的工作特点，从开关电源中的各组成部分出发，探讨开关电源电路、印制电路板的EMC设计及屏蔽等电磁干扰抑制的方法。通过这些方法的实施，确保高频开关电源满足电磁兼容标准的要求。

关键词：电磁兼容；电磁干扰；抑制措施；高频开关电源；印制电路板

0  引言

      目前，在计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域中大量使用高频开关电源，但高频开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰（Electro Magnetic Interference,EMI）。

      由于高频开关电源的一次整流桥是非线性器件，其形成的电流是严重失真的正弦半波，含有丰富的高次谐波，形成了一系列连续、动脉和瞬变干扰。因此，在高频开关电源设计中必须考虑电磁兼容性（Elctro Magnetic Compatibility,EMC）的设计。

      电网完全在自然环境中，连接着各种电子电气设备，有着复杂的电磁转换过程，可能会引起一些问题：外来噪声使高频开关电源设备的控制电路出现误动作；通信设备由于高频开关电源设备的噪声而出现误动作；高频开关电源设备对电网产生噪声污染；高频开关电源设备向空间散发噪声。

      根据上述情况，针对高频开关电源存在的缺点，在此对其电路及印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）进行了电磁兼容性的设计研究。

1  高频开关电源的EMC设计

1.1  高频开关电源主电路组成

      高频开关电源主电路组成框图如图1所示，它由输入滤波电路、高频逆变电路、输出整流电路及输出直流滤波电路等组成。

1.2  输入滤波电路的EMC设计

      输入滤波电路的EMC设计如图2所示。

      VD₂为瞬态电压抑制二极管，R_V1为压敏电阻，它们都具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元气件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z₁为直流抗电磁干扰滤波器，必须良好接地，且接地线要短。L₁和C₁，组成低通滤波电路，当L₁的电感量较大时，必须增加VD₁和R₁形成续流回路，以吸收L₁断开时释放时的电场能量，否则，产生的电压尖峰就会形成EMI。L₁的磁芯使用闭合磁芯，可以避免开环磁芯的漏磁场形成EMI。C₁采用大容量的电容，可以减少输入线上的纹波电压，减弱在输人导线周围形成的电磁场。

1.3  高频逆变电路的EMC设计

      高频逆变电路的EMC设计如图3所示。

      C₂，C₃,VT₂,VT₃组成半桥逆变电路，VT₂，VT₃为IGBT或MOSFET等开关管。R₄和C₄构成EMI吸收回路，在VT₂，VT₃两端并联C₅，C₆，由于VT₂，VT₃开通和关断时，开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di/dt,du/dt,从而形成EMI。C₄，C₅，C₆采用低感电容，其容量的大小由公式
LI²/2=C△U²/2求得C的值（L为回路电感，I为回路电流，△U为过冲电压值）。

1.4  输出整流电路的EMC设计

      输出整流电路的EMC设计如图4所示。

      VD₆为整流二极管，VD₇为续流二极管。由于VD₆,VD₇工作于高频开关状态，是产生EMI的主要源头。把R₅，C₁₂和R₆,C₁₃分别连接成VD₆，VD₇的吸收回路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。

      减少整流二极管的数量可减少EMI的能量，因此，在同等条件下采用半波整流比全波整流和全桥整流产生的EMI要小。为减少二极管的EMI，选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的且时间短的二极管。

1.5  输出直流滤波电路的EMC设计

      直流EMI滤波器双端口网络模型如图5所示，其混合参数方程为：

      式中：g₁₁为输入导纳；g₂₂为输出阻抗；g₁₂为反向电流增益；g₂₁为正向电压增益。

      由式（1）可以等效出如图6所示的原理图。

      直流EMI滤波器的设计必须满足以下的要求：

      （1）要保证滤波器在滤波的同时不影响电源的带负载能力；

      （2）对于输入的直流分量，要求滤波器尽量不造成衰减；

      （3）对于谐波分量，滤波器要有良好的滤波效果。

      结合混合参数方程及等效原理图，根据第一条要求，应使滤波器的输入导纳和输出阻抗尽可能小，即g₁₁=g₂₂＝0。根据第二条要求，在低频时反向电流增益g₁₂和正向电压增益g₂₁的设计值要尽量为1，而输入导纳和输出阻抗尽可能小，即g₁₂＝g₂₁＝1，g₁₁=g₂₂=0。根据第三条要求，在高频时，g₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂都要尽可能的小。根据以上的条件，输出直流滤波电路的EMC设计电路如图7所示，L₂,C₁₇,C₁₈组成LC滤波电路，减少输出电压、电流纹波的大小，从而减小通过辐射传播的EMI。滤波电容C₁₇，C₁₈应尽量采用多个电容并联，以减小等效串联电阻，从而减小纹波电压。输出电感L₂应尽量大，以减小输出纹波电流。

      C₁₉用于滤除导线上的共模干扰，选用低感电容，接线要短。C₂₀，C₂₁，C₂₂，C₂₃用于滤除输出线上的差模干扰，选用低感的三端电容。Z₂为直流滤波器，滤波器的输入、输出线要屏蔽隔离。

1.6  开关电源印制电路板的EMC设计

      印制电路板是高频开关电源设计的最后一个环节，如果印制电路板设计不当，由于PCB上既有小信号控制线，又有高压母线，还有高频功率开关和磁性元件，将直接影响到电路中各元件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性，造成电源工作不稳定。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成，其计算公式如下两式所示。

      式中：l为导线的长度；b为导线的宽度。

      显然，印制线越短，直流电阻R就越小，同时增大印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻R。从式（3）可知，印制线长度l越短，自感L就越小，而且增加印制线的宽度b也可降低自感L。多根印制线的特性阻抗除由直流电阻R和自感L组成外，还有互感M的影响，由互感M计算公式（4）可知，除受印制板的长度和宽度影响外，印制线的距离也起着重要作用。

      式中：s为两线之间的距离。增大两线之间的距离可减小互感。

      由以上分析可知，在设计PCB时，应尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其他印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，尽量加粗电源线和地线线条。

2  结语

      电磁兼容是一个十分复杂的问题，在设计高频开关电源时，应对电源可能的电磁环境进行充分估计，可能全面地考虑高频开关电源与外界环境的耦合途径，利用各种抑制干扰技术来消除干扰耦合，增强高频开关电源的抗干扰能力。主要的措施包括合适的接地，良好的搭接，合理的布线及屏蔽、滤波、限幅等。只有在设计时充分考虑EMC的设计，才能使高频开关电源的电磁干扰降到最低点。

参考文献：

[1]曲学基，曲敬铠，于明扬．电力电子滤波技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2008．

[2]周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用电路[M]．北京：中国电力出版社，2006．

[3]周志敏，周纪海，纪爱华．现代开关电源控制电路设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2005．

[4]刘胜利．现代高频开关电源实用技术[M]．北京：电子工业出版社，2001．

[5]曲学基，曲敬铠，于明扬．电力电子整流技术及应用[M]．北京：电子工业出版社，2007．
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