高頻開關(guān)電源EMC設(shè)計

摘  要：闡述高頻開關(guān)電源主電路的組成，針對高頻開關(guān)電源的工作特點，從開關(guān)電源中的各組成部分出發(fā)，探討開關(guān)電源電路、印制電路板的EMC設(shè)計及屏蔽等電磁干擾抑制的方法。通過這些方法的實施，確保高頻開關(guān)電源滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；抑制措施；高頻開關(guān)電源；印制電路板

0  引言

      目前，在計算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域中大量使用高頻開關(guān)電源，但高頻開關(guān)電源的突出缺點是能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾（Electro Magnetic Interference,EMI）。

      由于高頻開關(guān)電源的一次整流橋是非線性器件，其形成的電流是嚴(yán)重失真的正弦半波，含有豐富的高次諧波，形成了一系列連續(xù)、動脈和瞬變干擾。因此，在高頻開關(guān)電源設(shè)計中必須考慮電磁兼容性（Elctro Magnetic Compatibility,EMC）的設(shè)計。

      電網(wǎng)完全在自然環(huán)境中，連接著各種電子電氣設(shè)備，有著復(fù)雜的電磁轉(zhuǎn)換過程，可能會引起一些問題：外來噪聲使高頻開關(guān)電源設(shè)備的控制電路出現(xiàn)誤動作；通信設(shè)備由于高頻開關(guān)電源設(shè)備的噪聲而出現(xiàn)誤動作；高頻開關(guān)電源設(shè)備對電網(wǎng)產(chǎn)生噪聲污染；高頻開關(guān)電源設(shè)備向空間散發(fā)噪聲。

      根據(jù)上述情況，針對高頻開關(guān)電源存在的缺點，在此對其電路及印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）進(jìn)行了電磁兼容性的設(shè)計研究。

1  高頻開關(guān)電源的EMC設(shè)計

1.1  高頻開關(guān)電源主電路組成

      高頻開關(guān)電源主電路組成框圖如圖1所示，它由輸入濾波電路、高頻逆變電路、輸出整流電路及輸出直流濾波電路等組成。

1.2  輸入濾波電路的EMC設(shè)計

      輸入濾波電路的EMC設(shè)計如圖2所示。

      VD₂為瞬態(tài)電壓抑制二極管，R_V1為壓敏電阻，它們都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)后級元氣件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z₁為直流抗電磁干擾濾波器，必須良好接地，且接地線要短。L₁和C₁，組成低通濾波電路，當(dāng)L₁的電感量較大時，必須增加VD₁和R₁形成續(xù)流回路，以吸收L₁斷開時釋放時的電場能量，否則，產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成EMI。L₁的磁芯使用閉合磁芯，可以避免開環(huán)磁芯的漏磁場形成EMI。C₁采用大容量的電容，可以減少輸入線上的紋波電壓，減弱在輸人導(dǎo)線周圍形成的電磁場。

1.3  高頻逆變電路的EMC設(shè)計

      高頻逆變電路的EMC設(shè)計如圖3所示。

      C₂，C₃,VT₂,VT₃組成半橋逆變電路，VT₂，VT₃為IGBT或MOSFET等開關(guān)管。R₄和C₄構(gòu)成EMI吸收回路，在VT₂，VT₃兩端并聯(lián)C₅，C₆，由于VT₂，VT₃開通和關(guān)斷時，開關(guān)時間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(chǎn)生較高的di/dt,du/dt,從而形成EMI。C₄，C₅，C₆采用低感電容，其容量的大小由公式 LI²/2=C△U²/2求得C的值（L為回路電感，I為回路電流，△U為過沖電壓值）。

1.4  輸出整流電路的EMC設(shè)計

      輸出整流電路的EMC設(shè)計如圖4所示。

      VD₆為整流二極管，VD₇為續(xù)流二極管。由于VD₆,VD₇工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，是產(chǎn)生EMI的主要源頭。把R₅，C₁₂和R₆,C₁₃分別連接成VD₆，VD₇的吸收回路，用于吸收其開關(guān)時產(chǎn)生的電壓尖峰。

      減少整流二極管的數(shù)量可減少EMI的能量，因此，在同等條件下采用半波整流比全波整流和全橋整流產(chǎn)生的EMI要小。為減少二極管的EMI，選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的且時間短的二極管。

1.5  輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計

      直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，其混合參數(shù)方程為：

      式中：g₁₁為輸入導(dǎo)納；g₂₂為輸出阻抗；g₁₂為反向電流增益；g₂₁為正向電壓增益。

      由式（1）可以等效出如圖6所示的原理圖。

      直流EMI濾波器的設(shè)計必須滿足以下的要求：

      （1）要保證濾波器在濾波的同時不影響電源的帶負(fù)載能力；

      （2）對于輸入的直流分量，要求濾波器盡量不造成衰減；

      （3）對于諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果。

      結(jié)合混合參數(shù)方程及等效原理圖，根據(jù)第一條要求，應(yīng)使濾波器的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小，即g₁₁=g₂₂＝0。根據(jù)第二條要求，在低頻時反向電流增益g₁₂和正向電壓增益g₂₁的設(shè)計值要盡量為1，而輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小，即g₁₂＝g₂₁＝1，g₁₁=g₂₂=0。根據(jù)第三條要求，在高頻時，g₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂都要盡可能的小。根據(jù)以上的條件，輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計電路如圖7所示，L₂,C₁₇,C₁₈組成LC濾波電路，減少輸出電壓、電流紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的EMI。濾波電容C₁₇，C₁₈應(yīng)盡量采用多個電容并聯(lián)，以減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L₂應(yīng)盡量大，以減小輸出紋波電流。       C₁₉用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾，選用低感電容，接線要短。C₂₀，C₂₁，C₂₂，C₂₃用于濾除輸出線上的差模干擾，選用低感的三端電容。Z₂為直流濾波器，濾波器的輸入、輸出線要屏蔽隔離。

1.6  開關(guān)電源印制電路板的EMC設(shè)計

      印制電路板是高頻開關(guān)電源設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)，如果印制電路板設(shè)計不當(dāng)，由于PCB上既有小信號控制線，又有高壓母線，還有高頻功率開關(guān)和磁性元件，將直接影響到電路中各元件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性，造成電源工作不穩(wěn)定。單根導(dǎo)線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成，其計算公式如下兩式所示。

Z=R+jwL                （2） L=2lIn（2l/b+1/2）       （3）       式中：l為導(dǎo)線的長度；b為導(dǎo)線的寬度。

      顯然，印制線越短，直流電阻R就越小，同時增大印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。從式（3）可知，印制線長度l越短，自感L就越小，而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，由互感M計算公式（4）可知，除受印制板的長度和寬度影響外，印制線的距離也起著重要作用。

M=2l[In 2l/（b+s）-1]       （4）       式中：s為兩線之間的距離。增大兩線之間的距離可減小互感。

      由以上分析可知，在設(shè)計PCB時，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其他印制線都有電感，當(dāng)電源電流變化較大時，將會產(chǎn)生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應(yīng)盡量縮短地線，盡量加粗電源線和地線線條。

2  結(jié)語

      電磁兼容是一個十分復(fù)雜的問題，在設(shè)計高頻開關(guān)電源時，應(yīng)對電源可能的電磁環(huán)境進(jìn)行充分估計，可能全面地考慮高頻開關(guān)電源與外界環(huán)境的耦合途徑，利用各種抑制干擾技術(shù)來消除干擾耦合，增強(qiáng)高頻開關(guān)電源的抗干擾能力。主要的措施包括合適的接地，良好的搭接，合理的布線及屏蔽、濾波、限幅等。只有在設(shè)計時充分考慮EMC 的設(shè)計，才能使高頻開關(guān)電源的電磁干擾降到最低點。

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