開(kāi)關(guān)電源中電磁干擾的抑制

分類：技術(shù)教程日期：2009-06-08 11:32:15 來(lái)源：

　隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹂_(kāi)關(guān)電源的需求也不斷增長(zhǎng)，但是，開(kāi)關(guān)電源存在嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問(wèn)題。它不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染，直接影響到其它用電電器的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，對(duì)空間也造成電磁污染。于是便產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問(wèn)題。電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

　開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類。傳導(dǎo)干擾通過(guò)交流電源傳播，頻率低于30MHz。輻射干擾通過(guò)空氣傳播，頻率在30MHz以上。

　本文針對(duì)一種桌面式180W塑殼開(kāi)關(guān)電源（負(fù)載是12V/15A的半導(dǎo)體制冷冰箱，電源外形大小205mm×90mm×62mm）所存在的電磁干擾超標(biāo)問(wèn)題，從原理上進(jìn)行了分析，并探討了解決方案。

1 180W開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)分析與電磁干擾測(cè)試

1.1 主電路與結(jié)構(gòu)布局分析

　該開(kāi)關(guān)電源的電路原理如圖1所示。

（a）電容濾波整流部分（b）半橋開(kāi)關(guān)電路部分

圖1 180W開(kāi)關(guān)電源電路

　電容濾波整流器功率因數(shù)低，整流二極管導(dǎo)通時(shí)間較短，濾波電容充電電流瞬時(shí)值的峰值大，整流后的電流波形為脈動(dòng)狀，產(chǎn)生高的諧波電流。

　半橋電路中高頻導(dǎo)通和截止的S₁、S₂，D₃、D₄和變壓器T₁是開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾源，產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過(guò)開(kāi)關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。

　該開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部布局如圖2所示，左邊是交流電源輸入和直流輸出，靠左邊上下兩側(cè)留有通風(fēng)孔,風(fēng)機(jī)在右邊，采用向外抽風(fēng)方式散熱，保證塑殼內(nèi)的熱量及時(shí)排出，避免熱量在塑殼內(nèi)積聚。該布局的優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)路比較通暢，但也存在缺點(diǎn)——輸入輸出接口電纜安裝得較近，在它們之間容易產(chǎn)生空間耦合，形成輻射騷擾。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 電磁干擾測(cè)試

　表1所列為測(cè)得的7～21次諧波電流的數(shù)值，其中11、15、17次諧波電流都超標(biāo)。

表1 實(shí)測(cè)的諧波電流數(shù)值

諧波次數(shù)	實(shí)測(cè)數(shù)值/A	諧波限值/A
7	0.694	0.770
9	0.397	0.400
11	0.334	0.330
13	0.209	0.210
15	0.165	0.150
17	0.151	0.132
19	0.101	0.118
21	0.084	0.107

圖3為測(cè)得的傳導(dǎo)干擾超標(biāo)現(xiàn)象。

圖3 傳導(dǎo)干擾低頻超標(biāo)

　輻射騷擾預(yù)測(cè)結(jié)果在30～50MHz和100MHz處超出限值，如圖4所示。

圖4 輻射騷擾預(yù)測(cè)圖

2 電磁干擾的抑制

2.1 諧波電流的抑制

　采用功率因數(shù)校正可以解決諧波電流超標(biāo)的問(wèn)題。有源功率因數(shù)校正采用Boost升壓PFC電路，功率因數(shù)提高到0.99以上，使得諧波電流很小，但電路復(fù)雜，成本也不低，而且電路中的開(kāi)關(guān)管和高壓整流二極管的開(kāi)關(guān)噪聲將成為新的騷擾源，使整機(jī)的EMI達(dá)標(biāo)增加了難度。

　考慮到在交流輸入電壓（AC 220～250V）范圍內(nèi)，滿足電壓調(diào)整率情況下，適當(dāng)減小濾波電容，輸入串聯(lián)電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時(shí)值的峰值，滿足諧波電流限值，且功率損耗在可以接受的范圍之內(nèi)，整機(jī)電源效率下降不多，也不失為較好方法。采用這一方法后實(shí)測(cè)諧波電流值如表2所列。

表2 濾波后諧波電流值

諧波次數(shù)	實(shí)測(cè)數(shù)值/A	諧波限值/A
1	1.120	Nan
2	0.004	1.080
3	0.990	2.300
4	0.004	0.430
5	0.812	1.140
6	0.003	0.300
7	0.594	0.770
8	0.002	0.230
9	0.379	0.400
10	0.002	0.184
11	0.212	0.330
12	0.001	0.153
13	0.142	0.210
14	0.002	0.131
15	0.141	0.150
16	0.002	0.115
17	0.132	0.132
18	0.001	0.102
19	0.100	0.118
20	0.001	0.092
21	0.064	0.107
22	0.001	0.084
23	0.050	0.098
24	0.001	0.077
25	0.054	0.090
26	0.001	0.071
27	0.051	0.083
28	0.001	0.066
29	0.037	0.078
30	0.001	0.061
31	0.026	0.073
32	0.001	0.058
33	0.027	0.068
34	0.001	0.054
35	0.027	0.064
36	0.001	0.051
37	0.023	0.061
38	0.001	0.048
39	0.015	0.058
40	0.001	0.046

2.2 傳導(dǎo)騷擾的抑制

　傳導(dǎo)噪聲主要來(lái)源半橋變換器中功率開(kāi)關(guān)管S₁及S₂以頻率25kHz交替工作，功率開(kāi)關(guān)管集電極發(fā)射極電壓U_ce和發(fā)射極電流I_c波形接近矩形波。傅立葉分析表明，矩形波脈沖具有相當(dāng)寬的頻率帶寬，含有豐富的高次諧波，脈沖波形的頻譜幅度在低頻段較高。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。

　輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設(shè)計(jì)的一種低阻抗通道（即低通濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，達(dá)到電磁兼容的目的。

　如圖5所示，輸入濾波器是由電感（L_F1、L_F2）和C_Y電容（C₄、C₅）及C_X電容（C₁、C₂、C₃）組成的低通濾波器電路構(gòu)成。對(duì)頻率較高的噪聲信號(hào)有較大的衰減。C₁、C₂、C₃是濾除共模干擾的電容，C₄、C₅是濾除差模干擾的電容，L_F1、L_F2是共模線圈。

圖5 輸入濾波器

　圖3中低頻傳導(dǎo)干擾（0.15～1MHz范圍）超標(biāo)，共模噪聲的主要騷擾源是功率開(kāi)關(guān)管，低頻傳導(dǎo)干擾抑制以增加共模電感的電感量為主，當(dāng)共模電感從原設(shè)計(jì)的15mH增加到24mH時(shí)，低頻傳導(dǎo)干擾最大處下降30dB，得到了顯著改善。如圖6所示。

圖6 寄生參數(shù)影響傳導(dǎo)超標(biāo)

　輸入濾波器對(duì)20MHz以下噪聲抑制有明顯的效果。理想輸入濾波器是低通濾波器，但實(shí)際上是帶阻濾波器，電容器的引線電感和電感線圈上的寄生電容，在頻率較高時(shí)影響就不能忽視。在1MHz時(shí)就變得十分明顯了。

　當(dāng)開(kāi)關(guān)電源頻率增加時(shí)，所需的共模電感可大大減小，共模電感體積也減小。但是，開(kāi)關(guān)電源在20MHz以上頻帶的輻射噪聲份量有所增加，給輻射騷擾的達(dá)標(biāo)帶來(lái)麻煩。開(kāi)關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系如表3所列。

表3 開(kāi)關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系

開(kāi)關(guān)頻率	共模電感的電感量
50kHz	約30mH
75kHz	約15mH
100kHz	約10mH

　　由于共模電感線圈存在寄生電容，高頻噪聲成分經(jīng)過(guò)寄生電容向外發(fā)射騷擾，故使用單個(gè)大感量共模電感不容易達(dá)到好的高頻濾波效果，一般采用兩個(gè)共模電感，同樣的電感量抑制高頻噪聲很見(jiàn)效，將有6dB以上的差值。

　C_X電容器高頻阻抗頻率特性是一個(gè)關(guān)系電磁騷擾抑制效果的重要參數(shù)。電容器在高頻使用時(shí)等效為r（等效串聯(lián)電阻）＋C＋L（等效串聯(lián)電感）電路。由于電容器自身的固有電感（即等效串聯(lián)電感）存在，在頻率低的范圍，電容器電抗呈容性，在頻率高的范圍，電容器電抗呈感性，這時(shí)抑制騷擾的能力就明顯下降。電容器的固有引線電感越小和騷擾源的高頻內(nèi)阻抗越大，則抑制騷擾的效果越好。

　C₄及C₅的引線和連接地引線應(yīng)盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經(jīng)過(guò)電容旁路到地線，C₄及C₅取較大電容量濾波效果好，但是，隨著電容量的增加泄漏電流也增加了，而泄漏電流值是電氣安全中的重要指標(biāo)，決不允許超過(guò)規(guī)定數(shù)值。一般的漏電流限制是3.5mA，此桌面式塑殼開(kāi)關(guān)電源屬手持式設(shè)備，最大漏電流限制為0.75mA，實(shí)測(cè)值為0.55mA。

　電源輸入線纜要短，濾波器盡量靠近輸入端口，避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合，而失去濾波作用。接地盡量簡(jiǎn)短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。經(jīng)過(guò)數(shù)次整改后，得到滿意的結(jié)果如圖7所示。

圖7 傳導(dǎo)騷擾合格

2.3 輻射騷擾的抑制

　輻射騷擾是指由任何部件、天線、電纜或連接線輻射的電磁干擾。

　通常在電路元件布局上，應(yīng)盡量使輸入交流和輸出直流插座（包括引線）分開(kāi)并遠(yuǎn)離。采用一端輸入另一端輸出是一種合理的布局。但考慮電源內(nèi)部散熱通風(fēng)，該電源采用圖2的散熱結(jié)構(gòu)。不可回避的問(wèn)題是輸入輸出線纜之間可能發(fā)生空間耦合，當(dāng)有高頻傳導(dǎo)電流通過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射。

　首先，從電磁騷擾源產(chǎn)生的機(jī)理入手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較嚴(yán)重，通過(guò)減小環(huán)路面積可以抑制di/dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也是個(gè)高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間也越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大。

　鐵氧體磁環(huán)和磁珠使用方便，價(jià)格便宜，抑制電磁干擾效果明顯。鐵氧體電感的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。電阻值隨著頻率增加而增加，這樣就構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器。低頻時(shí)R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時(shí)R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使高頻干擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對(duì)于輸入、輸出電路，則應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。

　整流二極管使用肖特基二極管，其陽(yáng)極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)繞（φ13.5×φ7.5×7）2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約10dB，但40MHz和100MHz處余量較小，準(zhǔn)峰值測(cè)試僅有5dB裕量?？紤]到認(rèn)證過(guò)程繁瑣，周期長(zhǎng)，而且各個(gè)認(rèn)證檢測(cè)服務(wù)中心之間允許有2～3dB的誤差，產(chǎn)品的預(yù)測(cè)應(yīng)在6dB以上的裕量為合適，如圖8所示。

圖8 3m法電波暗室測(cè)試（一次整改后）

　鐵氧體磁珠、鐵氧體磁環(huán)的使用對(duì)騷擾源噪聲的抑制有了較大改善，如仍還不能滿足要求，只好采用屏蔽措施，在輸入輸出之間用2mm厚的鋁板隔離，以切斷通過(guò)空間耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。結(jié)果輻射騷擾噪聲裕量達(dá)到了12dB以上，抑制噪聲效果相當(dāng)明顯。通過(guò)以上措施大大降低輻射騷擾噪聲電平，如圖9所示。

圖9 3m法電波暗室測(cè)試（輻射騷擾合格）

　3m法電波暗室與10m法電波暗室測(cè)試規(guī)定限值的轉(zhuǎn)換：由于標(biāo)準(zhǔn)GB9254認(rèn)定ITE（信息技術(shù)設(shè)備）在10m測(cè)量距離處得到輻射騷擾限值，而較多的EMC檢測(cè)服務(wù)中心是在3m電波暗室內(nèi)測(cè)試，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)大小與距離成反比，所以在3m法中測(cè)得的噪聲電平比在10m法時(shí)的噪聲電平值要下降10dB。

　圖4、圖8、圖9是由3m法電波暗室測(cè)得，其輻射騷擾限值為30～230MHz準(zhǔn)峰值限值40dB，230～1000MHz準(zhǔn)峰值限值47dB。圖10是由10m法電波暗室測(cè)得，圖9與圖10比較，輻射噪聲波形相差不多。僅在幾個(gè)頻率點(diǎn)的噪聲電平略有增加。

圖10 10m法電波暗室測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

　經(jīng)過(guò)以上的整改后，再次測(cè)試180W電源的電磁兼容完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在電源設(shè)計(jì)初期解決EMI問(wèn)題，結(jié)構(gòu)尚未定型，可選用的方法多，有利于降低成本。

　除以上所述的抑制措施外，還有其它一些方案，但設(shè)計(jì)方案都要兼顧電源成本。

　與EMI相關(guān)的因素多且復(fù)雜，僅做到上述的幾點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有接地技術(shù)、PCB布局走線等都是很重要的。電磁兼容的設(shè)計(jì)任重而道遠(yuǎn)，我們要不斷進(jìn)行研究，以使我國(guó)的電子產(chǎn)品電磁兼容水平與國(guó)際同步。

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