開關(guān)電源中電磁干擾的抑制
隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹂_關(guān)電源的需求也不斷增長，但是，開關(guān)電源存在嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問題。它不僅對電網(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，對空間也造成電磁污染。于是便產(chǎn)生了開關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問題。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)干擾通過交流電源傳播，頻率低于30MHz。輻射干擾通過空氣傳播，頻率在30MHz以上。
本文針對一種桌面式180W塑殼開關(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)問題，從原理上進(jìn)行了分析，并探討了解決方案。
1 180W開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)分析與電磁干擾測試
1.1 主電路與結(jié)構(gòu)布局分析
該開關(guān)電源的電路原理如圖1所示。
（a）電容濾波整流部分 （b）半橋開關(guān)電路部分
圖1 180W開關(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)通時間較短，濾波電容充電電流瞬時值的峰值大，整流后的電流波形為脈動狀，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，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。
該開關(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 電磁干擾測試
表1所列為測得的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 實測的諧波電流數(shù)值
| 諧波次數(shù) | 實測數(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，而且電路中的開關(guān)管和高壓整流二極管的開關(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。采用這一方法后實測諧波電流值如表2所列。
表2 濾波后諧波電流值
| 諧波次數(shù) | 實測數(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)噪聲主要來源半橋變換器中功率開關(guān)管S1及S2以頻率25kHz交替工作，功率開關(guān)管集電極發(fā)射極電壓Uce和發(fā)射極電流Ic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（LF1、LF2）和CY電容（C4、C5）及CX電容（C1、C2、C3）組成的低通濾波器電路構(gòu)成。對頻率較高的噪聲信號有較大的衰減。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，LF1、LF2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)計的15mH增加到24mH時，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，在頻率較高時影響就不能忽視。在1MHz時就變得十分明顯了。
當(dāng)開關(guān)電源頻率增加時，所需的共模電感可大大減小，共模電感體積也減小。但是，開關(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)帶來麻煩。開關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系如表3所列。
表3 開關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系
| 開關(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)過寄生電容向外發(fā)射騷擾，故使用單個大感量共模電感不容易達(dá)到好的高頻濾波效果，一般采用兩個共模電感，同樣的電感量抑制高頻噪聲很見效，將有6dB以上的差值。
CX電容器高頻阻抗頻率特性是一個關(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)，決不允許超過規(guī)定數(shù)值。一般的漏電流限制是3.5mA，此桌面式塑殼開關(guān)電源屬手持式設(shè)備，最大漏電流限制為0.75mA，實測值為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。接地盡量簡短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。經(jīng)過數(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)電流通過時就會產(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，通過減小環(huán)路面積可以抑制di/dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也是個高頻騷擾源。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)的時間也越長，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)成了一個低通濾波器。低頻時R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時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，長而細(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)峰值測試僅有5dB裕量?？紤]到認(rèn)證過程繁瑣，周期長，而且各個認(rèn)證檢測服務(wù)中心之間允許有2～3dB的誤差，產(chǎn)品的預(yù)測應(yīng)在6dB以上的裕量為合適，如圖8所示。
圖8 3m法電波暗室測試（一次整改后）
鐵氧體磁珠、鐵氧體磁環(huán)的使用對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法電波暗室測試（輻射騷擾合格）
3m法電波暗室與10m法電波暗室測試規(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測量距離處得到輻射騷擾限值，而較多的EMC檢測服務(wù)中心是在3m電波暗室內(nèi)測試，因為場強(qiáng)大小與距離成反比，所以在3m法中測得的噪聲電平比在10m法時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法電波暗室測得，圖9與圖10比較，輻射噪聲波形相差不多。僅在幾個頻率點(diǎn)的噪聲電平略有增加。
圖10 10m法電波暗室測試
3 結(jié)語
經(jīng)過以上的整改后，再次測試180W電源的電磁兼容完全達(dá)到了設(shè)計要求。在電源設(shè)計初期解決EMI問題，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)計任重而道遠(yuǎn)，我們要不斷進(jìn)行研究，以使我國的電子產(chǎn)品電磁兼容水平與國際同步。
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