開關(guān)電源傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾解決方法

1概述現(xiàn)在，電子產(chǎn)品電磁兼容問題越來越受到人們的重視，特別是世界上發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)形成了一套完整的電磁兼容體系，同時我國也正在建立電磁兼容體系，因此，實現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容是進(jìn)入國際市場的通行證。對于開關(guān)電源來說，由于開關(guān)管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對外界會產(chǎn)生很強的電磁干擾，因此開關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射相對其它產(chǎn)品來說更加難以實現(xiàn)電磁兼容，但如果我們對開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原理理解清晰后，就不難找到適宜的對策，將傳導(dǎo)發(fā)射電平和輻射發(fā)射電平降到適宜的水平，實現(xiàn)電磁兼容性設(shè)計。2開關(guān)電源傳導(dǎo)騷擾2.1傳導(dǎo)發(fā)射的產(chǎn)生開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾是通過電源的輸入電源線向外傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。在開關(guān)電源輸入電源線中向外傳輸?shù)尿}擾，現(xiàn)有差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾比差模騷擾產(chǎn)生更強的輻射騷擾。傳導(dǎo)騷擾的測試頻率范疇為150KHz～30MHz，限值規(guī)定以下表1所示：在0.15MHz～1MHz的頻率范疇內(nèi)，騷擾重要以共模的形式存在，在1MHz～10MHz的頻率范疇內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz以上，騷擾的形式重要以共膜為主。傳導(dǎo)發(fā)射的差模騷擾的產(chǎn)生重要是由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管開通時，流過電源線的電流線形上升，開關(guān)管關(guān)斷時電流突變?yōu)?，因此流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而減少，另外，以下圖1所示，由于電容C5的存在，它與電感L3構(gòu)成低通濾波器，因此，差模傳導(dǎo)騷擾重要存在低頻率段。共模騷擾的產(chǎn)生重要因素是電源與大地（保護(hù)地）之間存在有分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。如上圖1所示，L、N為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2構(gòu)成輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，L1、VD1、C6和VT2為功率因數(shù)矯正主電路，VT2為開關(guān)管，開關(guān)管的D極與管子的散熱器相連，開關(guān)管安裝在散熱器上時，與散熱器之間形成一種耦合電容，如圖1中的C7所示，開關(guān)管VT2工作在開關(guān)狀態(tài)，其D極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開關(guān)管的開關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從上面的圖1來看，開關(guān)管VT2的D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，在上面的圖1中，從整流橋到電感L3之間的電壓為100Hz的工頻波形，而從電感L3到二極管VD1和開關(guān)管VT2D極之間的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。另首先電感L3的影響也比較大，但L3與機殼的距離比較遠(yuǎn)，分布電容比開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小的多，因此我們重要考慮開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。2.2傳導(dǎo)騷擾的解決辦法2.2.1EMI濾波器解決傳導(dǎo)騷擾現(xiàn)在大都采用無源濾波器，如上圖1中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2構(gòu)成一種EMI濾波器，L1、L2是兩個共模電感，普通來說，在共模電感當(dāng)中，含有20%左右的差模電感，與電容C1、C2、C3構(gòu)成差模濾波器，C4、C5是共模電容，與電感L1、L2構(gòu)成共模濾波器。共模電感量的計算：假設(shè)開關(guān)管集電極的干擾電壓在400V左右，轉(zhuǎn)換成dB（μV）為：傳導(dǎo)發(fā)射測試設(shè)備內(nèi)部的去耦網(wǎng)絡(luò)（LISN）內(nèi)阻Zin原則為50Ω。則耦合電容C7與測試設(shè)備去耦網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻Zin對騷擾電平的衰減為：則：如果不加EMI濾波器時，電源輸出端口所測得的騷擾電平為：表1中A級電源端口傳導(dǎo)限值的規(guī)定為79dB（μV），顯然大大超出了限制的規(guī)定。則需要濾波器在150KHz處的衰減為：112-79=33dB，考慮到最少有6dB的裕量，EMI濾波器的在150KHz處的衰減應(yīng)不不大于39dB，我們?nèi)?0dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10倍頻，在圖1中有兩個二階濾波器，衰減特性是-80dB/10倍頻，則濾波器的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)在：47KHz左右，考慮到其它因素的影響，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為40KHz。共模電容C4、C5取4700P（考慮到漏電流的問題，不能取太大），則：C=C4+C5=9400P。根據(jù)計算得：L=1.7mH在設(shè)計EMI濾波器的時候，為了有效的克制騷擾信號的目的，必須對濾波器兩端將要連接的源阻抗進(jìn)行合理的搭配，當(dāng)濾波器的輸出阻抗Zo和負(fù)載阻抗RL不相等時，在這個端口會產(chǎn)生，反射系數(shù)ρ由下式來定義：當(dāng)Zo和RL相差越大，端口產(chǎn)生的反射越大。EMI濾波器中的共模電感含有20%左右的差模電感，與X2電容構(gòu)成差模濾波器，在上面的原理圖中，X2電容C1、C2、C3對傳導(dǎo)騷擾的低頻端影響比較大，重要因素是由于在低頻段，騷擾的方式重要以差模的方式存在，增大C1、C2、C3，能夠減小低頻段的騷擾電平，但取值普通不超出0.47～2.2μF，如果適宜增大電容，低頻段仍然超標(biāo)，能夠增加差模電感來解決。2.2.2其它辦法EMI濾波器是采用切斷傳輸途徑的辦法來減小傳導(dǎo)發(fā)射的騷擾電平，另外我們也能夠從發(fā)射的源來著手，減小發(fā)射源向外發(fā)射的電平。1：以下圖2所示：圖2中，在PFC升壓電感上增加一種輔助繞組，該繞組的匝數(shù)與主繞組相似，方向與主繞組相反，C7是開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容，如圖所示增加一種與C7容量大致相似的一種電容接到散熱器與輔助繞組之間，這樣C7、C8耦合到散熱器的騷擾信號幅度相似，方向相反，兩個信號剛好能夠互相抵消，大大減小向外發(fā)射的騷擾電平。2：以下圖3所示：在圖3中，增加一種高頻電容C8，接在開關(guān)管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開關(guān)管越近越好，該電容選用安規(guī)電容，容量在4700P到0.01μf之間，太大會使電源的漏電流超標(biāo)，通過電容C7耦合到散熱器上的騷擾信號通過C8衰減，衰減的系數(shù)為由于C8比C7大許多，上式能夠簡化為：可見，假設(shè)C7為30P，C8為4700P，則向外發(fā)射的騷擾信號被衰減了157倍，近45dB。3開關(guān)電源的輻射騷擾

3.1輻射騷擾的空間傳輸1.遠(yuǎn)場和近場電磁能量以場的形式向四周傳輸，就形成了輻射騷擾，場能夠分為近場、和遠(yuǎn)場，近場又稱為感應(yīng)場，它的性質(zhì)與場源有親密的關(guān)系，如果場源是高電壓小電流的源，則近場重要是電場，如果場源是低壓大電流，則場源重要是磁場。無論近場是磁場或是電場，當(dāng)離場源的距離不不大于λ/2π時，均變成遠(yuǎn)場，又稱為輻射場。由于開關(guān)電源工作在高電壓，大電流的狀態(tài)下，近場即有電場，又有磁場。2.騷擾的輻射方式●單點輻射，重要模擬各相似性的較小的輻射源，輻射的強度可表達(dá)為：式中，P表達(dá)發(fā)射的功率，r表達(dá)離發(fā)射源的距離?？梢?，單點輻射強度與距離成反比，與發(fā)射源的功率的平方根成正比?！?/p>

平行雙線環(huán)路的輻射重要模擬差模電流回路的輻射源，其輻射強度能夠表達(dá)為：式中A為差模電流所包圍的面積，I是差模電流的大小，r是離輻射源的距離，λ是波長?？梢姴钅］椛鋸姸扰c差模電流的大小和差模電流所包圍的面積成正比，與距離成反比，與頻率的平方成正比。因此應(yīng)在高頻噪聲源處加高頻去耦電容，以免高頻噪聲流入電源回路中?！?/p>

單導(dǎo)線的輻射單導(dǎo)線的輻射公式能夠用來估算共模電流產(chǎn)生的輻射的大?。菏街?，I是共模電流的大小，r是到共模電流源的距離，l是導(dǎo)線的長度，λ是波長。3.共模電流輻射兩根相近的導(dǎo)線，如果流過差模電流，則導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場由于方向相反，大小相等而互相抵消，但如果流過共模電流，時兩根導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場互相疊加。因此大小相似的共模電流所產(chǎn)生的空間輻射要比差模電流產(chǎn)生的空間輻射強度大的多，根據(jù)實驗，兩者的輻射強度相差上千倍。因此，開關(guān)電源的輻射重要是由共模電流引發(fā)的?！?/p>

共模電流輻射的基本模式共模輻射有兩種驅(qū)動模式，一種是電流驅(qū)動模式，一種是電壓驅(qū)動模式，在開關(guān)電源中，起重要作用的重要是電壓驅(qū)動模式?！?/p>

產(chǎn)生共模輻射的條件產(chǎn)生共模輻射的條件有兩個，一是共模驅(qū)動源，一種是共模天線。任何兩個金屬體之間存在射頻電位差，就構(gòu)成一副不對稱振子天線，兩個金屬導(dǎo)體分別是天線的兩個極，對于一種開關(guān)電源來說，以下圖所示：圖4中C7是開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關(guān)管D極相連接的印制線為天線的兩個極，在分析時能夠簡化為下圖5：圖中，Vs為騷擾源，對圖4來說，就是開關(guān)管VT2的D極，L1、L2相稱于天線的兩個極，一種極是與開關(guān)管D極相連的印制線，另外一種極是散熱器及與之相連的接地線，C是天線兩極之間的耦合電容，即圖4中開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。共模輻射重要有天線上的共模電流的大小決定，因此，天線兩極L1、L2之間的耦合電容越大，輻射功率越大。另外，當(dāng)天線的兩個極的總長度不不大于λ/20時，才干向外輻射能量，并且當(dāng)天線的長度與騷擾源的波長滿足下列條件時，輻射能量才最大。3.2開關(guān)電源的輻射源要解決和減小開關(guān)電源的電磁輻射，首先要理解開關(guān)電源的輻射源在那兒。對于一種前級帶有PFC功率因數(shù)矯正電路的開關(guān)電源來說，輻射騷擾的源重要分布下面幾個地方（開關(guān)電源中的輻射源例如驅(qū)動等，相對于下面所列的要弱的多，因此能夠不與考慮）。1.PFC開關(guān)管2.PFC升壓二極管3.DC/DC開關(guān)管4.DC/DC的整流管、續(xù)流管5.PFC升壓電感6.DC/DC變壓器●

PFC開關(guān)管和DC/DC開關(guān)管的輻射原理如上面所述，屬于電壓驅(qū)動模式的驅(qū)動源，升壓電感和變壓器屬于差模騷擾源，重要因素是漏感的存在，造成電磁能量泄露，向外發(fā)射電磁能量。●

PFC升壓二極管和DC/DC的整流二極管在反向截止時，存在反向恢復(fù)電流，以下圖所示：圖中所示的是實際測試的PFC升壓二極管關(guān)斷瞬間的反向恢復(fù)電流（不加吸取的狀況下），在圖4中，該反向恢復(fù)電流重要通過C6、VD1、VT2構(gòu)成回路，形成差模輻射，另外，由于由于引線電感的存在，很小一部分的電流會通過散熱器與開關(guān)管VT2之間的耦合電容C7向外流，形成共模輻射。DC/DC的整流二極管和續(xù)流管的反向恢復(fù)電流會造成二極管的反向電壓出現(xiàn)很高的電壓尖峰，下圖7是正激電路的輸出濾波電路。圖7中，TI是變壓器，VD1、VD2分別是整流管和續(xù)流管，由于整流管、續(xù)流管在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時有反向恢復(fù)電流，該反向恢復(fù)電流在VD1、VD2兩端產(chǎn)生比較高的電壓峰值，由于快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流在幾十nS，因此峰值電壓的頻率較高，其基波頻率在幾十MHz，由于頻率很高，輻射能力很強，下圖8是整流管和續(xù)流管的電壓波形。在上圖7中，整流管、續(xù)流管固定在散熱器上，散熱器接大地，由于二極管的陰極與管殼的散熱板直接相連，管殼的散熱板與散熱器之間就形成了耦合電容，整流管、續(xù)流管在截止時產(chǎn)生的高壓尖峰就通過耦合電容流動，產(chǎn)生共模輻射，輸出線和地分別是天線的兩個極?！耖_關(guān)電源其它的輻射源如印制線與機殼之間分布電容引發(fā)的共模輻射、內(nèi)部電路工作時產(chǎn)生的差模輻射等，與前面的幾個輻射源相比要小得多。3.3輻射騷擾的解決方法上面分析了輻射騷擾產(chǎn)生的因素和開關(guān)電源的輻射源，再解決開關(guān)電源的輻射問題就比較容易了。3.3.1開關(guān)管發(fā)射源引發(fā)的輻射發(fā)射上面所介紹的輸入端口的傳導(dǎo)騷擾，是通過輸入線向外發(fā)射的，同時，輸入線又是一種天線，共模電流在流過輸入線的時候，就會向空間發(fā)射電磁能量，產(chǎn)生輻射騷擾，因此對于上面解決傳導(dǎo)發(fā)射的方法，在減小了傳導(dǎo)發(fā)射的同時，也大大減小了輸入端口的輻射發(fā)射。對于輻射源DC/DC開關(guān)管，也能夠采用與PFC開關(guān)管的相似的方法，來減小驅(qū)動源的電壓幅度，較小輻射發(fā)射的強度。下面圖9是采用在PFC開關(guān)管散熱器對PFC輸出地加電容與不加電容輻射強度的對比。圖中，前面是加電容的，背面是不加電容的，從兩個圖中能夠看出，在50MHZ附近，輻射騷擾電平在加了電容后來減少了盡10DB，在120MHZ到220MHZ的頻率范疇內(nèi)也減少了10DB左右。3.3.2DC/DC整流管、續(xù)流管發(fā)射源對于DC/DC整流管、續(xù)流管發(fā)射源，除了增加吸取，減小二極管兩端的峰值電壓、在二極管的管腳上套飽和磁環(huán)以減小反向恢復(fù)電流外，還能夠采用下列方法。1.在整流管、續(xù)流管與散熱器的接觸點附近對輸出地接電容，以下圖10所示：圖中C2是二極管VD1和VD2與散熱器之間的耦合電容，容量普通在幾十PF，C3是增加的電容，C3要遠(yuǎn)不不大于C2，DC/DC整流管、續(xù)流管上的電壓峰值通過C2與C3的分壓，幅度大大減少，就能夠大大減小向外的輻射。2.采用以下圖11所示的電路形式。在上圖的電路形式中，將輸出濾波電感放在輸出的負(fù)端，VD1、VD2的輸出直接接在輸出濾波電容的正端，這樣，整流管、續(xù)流管的陰極接固定電平，通過陰極連接的散熱面與散熱器之間的耦合電容向外流動的共模電流就會大大減小，從而大大減小輸出端口的輻射電平。3.3.3機箱屏蔽開關(guān)電源的輻射除了上述的