開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理及其傳播途徑

 

    功率開關(guān)器件的高額開關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關(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問題。開關(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，開關(guān)電源本身是一個(gè)噪聲發(fā)生源。開關(guān)電源產(chǎn)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(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。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：

 

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)橹绷鳎娙蓦娏鞯牟ㄐ尾皇钦也ǘ敲}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，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、開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾

    功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)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(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、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開關(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

    無工頻變壓器的開關(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。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關(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)生的振蕩是開關(guān)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(chǎn)生的振蕩是開關(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；

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

 

設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)防止EMI的措施：

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

2.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，開關(guān)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(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€。

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

5.盡量減小以下電流環(huán)的面積：次級(jí)(輸出)整流器，初級(jí)開關(guān)功率器件，柵極(基極)驅(qū)動(dòng)線路，輔助整流器。

6.不要將門極(基極)的驅(qū)動(dòng)返饋環(huán)路和初級(jí)開關(guān)電路或輔助整流電路混在一起。

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

8.防止EMI濾波電感飽和。

9.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關(guān)管的散熱片。

10.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。

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(duì)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(lián)阻尼電阻。

16.在輸出RF濾波器兩端并聯(lián)阻尼電阻。

17.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。

18.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。

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(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)。

21.空間允許的話放一個(gè)小的RC阻尼器在直流輸出端。

22.不要把AC插座與初級(jí)開關(guān)管的散熱片靠在一起。

 

開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)

 

    作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(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)干擾估計(jì)的難度。

    1MHZ以內(nèi)----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(biāo)并解決；

    5M---以上以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法.對(duì)于外殼接地的，在地線上用一個(gè)磁環(huán)繞2圈會(huì)對(duì)10MHZ以上干擾有較大的衰減(diudiu2006)；對(duì)于25--30MHZ不過可以采用加大對(duì)地Y電容、在變壓器外面包銅皮、改變PCBLAYOUT、輸出線前面接一個(gè)雙線并繞的小磁環(huán)，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(guān)斷引起，可以用增大MOS驅(qū)動(dòng)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(fù)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(xiàn)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(guān)電源的輻射一般只會(huì)影響到100M以下的頻段.也可以在MOS，二極管上加相應(yīng)吸收回路，但效率會(huì)有所降低。

 

1MHZ以內(nèi)----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(lián)一系列X電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標(biāo)并以解決：

    1.對(duì)于差模干擾超標(biāo)可調(diào)整X電容量，添加差模電感器，調(diào)差模電感量；

    2.對(duì)于共模干擾超標(biāo)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(duì)快速二極管如FR107一對(duì)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(duì)于外殼接地的，在地線上用一個(gè)磁環(huán)串繞2-3圈會(huì)對(duì)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(huán).處理后端輸出整流管的吸收電路和初級(jí)大電路并聯(lián)電容的大小。

 

對(duì)于20--30MHZ，

1.對(duì)于一類產(chǎn)品可以采用調(diào)整對(duì)地Y2電容量或改變Y2電容位置；

2.調(diào)整一二次側(cè)間的Y1電容位置及參數(shù)值；

3.在變壓器外面包銅箔；變壓器最里層加屏蔽層；調(diào)整變壓器的各繞組的排布。

4.改變PCBLAYOUT；

5.輸出線前面接一個(gè)雙線并繞的小共模電感；

6.在輸出整流管兩端并聯(lián)RC濾波器且調(diào)整合理的參數(shù)；

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(gè)小電容。

9.可以用增大MOS驅(qū)動(dòng)電阻.

30---50MHZ普遍是MOS管高速開通關(guān)斷引起，

1.可以用增大MOS驅(qū)動(dòng)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(gè)雙線并繞的小共模電感；

5.在MOSFET的D-S腳并聯(lián)一個(gè)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(gè)小電容；

8.PCB心LAYOUT時(shí)大電解電容，變壓器，MOS構(gòu)成的電路環(huán)盡可能的小；

9.變壓器，輸出二極管，輸出平波電解電容構(gòu)成的電路環(huán)盡可能的小。

 

50---100MHZ普遍是輸出整流管反向恢復(fù)電流引起，

1.可以在整流管上串磁珠；

2.調(diào)整輸出整流管的吸收電路參數(shù)；

3.可改變一二次側(cè)跨接Y電容支路的阻抗，如PIN腳處加BEADCORE或串接適當(dāng)?shù)碾娮瑁?

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(diǎn))。

5.增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射.

    200MHZ以上開關(guān)電源已基本輻射量很小，一般可過EMI標(biāo)準(zhǔn)。