开关电源搞得好，电路稳定少不了！谈谈它的电磁兼容设计（二）

3  电磁骚扰的抑制

    对开关电源的EMD的抑制措施，主要是

    1）减小骚扰源的骚扰强度；

    2）切断骚扰传播途径。

    为了达到这个目的，主要从选择合适的开关电源电路拓扑；采用正确的接地、屏蔽、滤波措施；设计合理的元器件布局及印制板布线等几个方面考虑。

3.1  减小开关电源本身的骚扰

    减小开关电源本身的骚扰是抑制开关电源骚扰的根本，是使开关电源电磁骚扰低于规定极限值的有效方法。

    1）减小功率管通、断过程中产生的骚扰

    上面分析表明，开关电源的主要骚扰是来自功率开关管通、断的dv/dt。因此减小功率开关管通、断的dv/dt是减小开关电源骚扰的重要方面。人们通常认为软开关技术可以减小开关管通、断的dv/dt。但是，目前的一些研究结果表明软开关并不像人们预料的那样，可以明显地减小开关电源的骚扰。没有实验结果表明，软开关变换器在EMC性能方面明显地优于硬开关变换器。

    有文献系统地研究了PWM反激式变换器、准谐振零电流变频开关正激变换器、多谐振零电压变频开关反激式变换器、多揩振零电压变频开关正激变换器、电压箝位多谐振零电压定频开关反激式变换器以及半桥式零电压变频串联谐振变换器的EMD特性，讨论了缓冲电路、箝位电路、变频与定频控制对骚扰水平的影响。实验结果表明，具有电压箝位的零电压定频开关变换器的EMD电平*低。

    因此，采用软开关电源技术，结合合理的元器件布置及合理的印制电路板布线，对开关电源的EMD水平有一定的改善。

    2）开关频率调制技术

    将频率不变的调制改变为随机调制，变频调制等。频率固定不变的调制脉冲产生的骚扰在低频段主要是调制频率的谐波骚扰，低频段的骚扰主要集中在各谐波点上。由F.Lin提出的开关频率调制方法^[3]，其基本思想是通过调制开关频率f_c的方法，把集中在开关频率f_c及其谐波2f_c，3f_c……上的能量分散到它们周围的频带上，由此降低各个频点上的EMD幅值，以达到低于EMD标准规定的限值。这种开关调频PWM的方法虽然不能降低总的骚扰能量，但它把能量分散到频点的基带上，以达到各个频点都不超过EMD规定的限值。

3.2  接地

    “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

3.2.1  设备的信号接地

    设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

    在这里介绍浮地和混合接地，另外，还有单点接地和多点接地。

    1）浮地

    采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。浮地的*大优点是抗骚扰性能好。

    浮地的缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈的静电放电，而成为破环性很强的骚扰源。

    一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。

    2）混合接地

    混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性，这在宽带敏感电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗，因此能够避免两模块之间的地环路形成。当将直流地和射频地分开时，将每个子系统的直流地通过10～100nF的电容器接到射频地上，这两种地应在一点有低阻抗连接起来，连接点应选在*高翻转速度（di/dt）信号存在的点。

3.2.2  设备接大地

    在工程实践中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是

    1）保证设备操作人员人身的**。

    2）泄放机箱上所积累的电荷，避免电荷积累使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。

    3）避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。

    由此可见，设备接大地除了是对人员**、设备**的考虑外，也是抑制骚扰发生的重要手段。

3.3  屏蔽

       抑制开关电源产生的骚扰辐射的有效方法是屏蔽，即用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽，另外，还要对整个开关电源进行电场屏蔽。屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔*好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺钉间距要短。屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则，这些会成为骚扰发射天线，严重降低屏蔽外壳的屏蔽效果。若用电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果；若用磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。

3.4  滤波

        电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导骚扰，又可以降低从电网引入的传导骚扰。对提高设备的可靠性有重要的作用。

        开关电源产生的电磁骚扰以传导骚扰为主，而传导骚扰又分差模骚扰和共模干扰两种。通常共模骚扰要比差模骚扰产生更大的辐射型EMD。目前抑制传导EMD*有效的方法是利用无源滤波技术。

        作为一种双端口网络EMD滤波器，它对骚扰的抑制性能不仅取决于滤波器本身的拓扑，而且在很大程度上也受EMD滤波器输入、输出阻抗值的影响。由于EMD滤波器阻抗和负载阻抗的可变动性以及它们可能直接与电网相连的特点，电源EMD滤波器的输入、输出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。这就造成了EMD滤波器设计不能完全应用成熟的通信用滤波器的设计方法和理论。这是电源波波器设计面临的主要问题。

3.5  元器件布局及印制电路板布线

    开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小，通路的环路面积，以及电流频率的平方等三者的乘积成正比，即辐射骚扰E∝I·A·f²。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。

    上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近，且布线紧凑；在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。

    在印制板上，将正负载流导线分别布在印制板的两面，并设法使两个载流导体彼此间保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。

    布线间的电磁耦合是通过电场和磁场进行的，因此在布线时，应注意对电场与磁场耦合的抑制。对电场的抑制方法有

    1）尽量增大线间距离，使电容耦合为*小；

    2）采用静电屏蔽，屏蔽层要接地；

    3）降低敏感线路的输入阻抗。

    对磁场的抑制方法有

    1）减小骚扰源和敏感电路的环路面积；

    2）增大线间距离，使耦合骚扰源与敏感电路间的互感尽可能地小；

    3）*好使骚扰源与敏感电路呈直角布线，以便大大降低线路间耦合。

4  结语

    开关电源电磁兼容设计的目的是使产品在一定的电磁环境下正常工作，也就是说，电源产品应满足标准规定的抗扰度极限值要求，在受到一定的电磁骚扰时，无性能的下降或故障；同时，电源产品满足标准规定的电磁极限值要求，对电磁环境不构成污染源，而实现电磁兼容。