高頻開關電源的EMC設計

目前，在計算機及外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域中大量使用高頻開關，但高頻的突出缺點是能產生較強的電磁干擾（ElectroMagneticInterference,EMI）。 由於高頻開關電源的一次整流橋是非線性器件，其形成的電流是嚴重失真的正弦半波，含有豐富的高次諧波，形成了一系列連續、動脈和瞬變干擾。因此，在高頻開關電源設計中必須考慮電磁兼容性（ElctroMagneticCompatibility,EMC）的設計。 電網完全在自然環境中，連接著各種設備，有著複雜的電磁轉換過程，可能會引起一些問題：外來雜訊使高頻開關電源設備的控制電路出現誤動作；通信設備由於高頻開關電源設備的雜訊而出現誤動作；高頻開關電源設備對電網產生雜訊污染；高頻開關電源設備向空間散發雜訊。 根據上述情況，針對高頻開關電源存在的缺點，在此對其電路及印製電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）進行了電磁兼容性的設計研究。 1.1高頻開關電源主電路組成 高頻開關電源主電路組成框圖如圖1所示，它由輸入濾波電路、高頻逆變電路、輸出整流電路及輸出直流濾波電路等組成。

1.2輸入濾波電路的EMC設計 輸入濾波電路的EMC設計如圖2所示。

VD₂為瞬態電壓抑制，R_V1為壓敏電阻，它們都具有很強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護後級元氣件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z₁為直流抗電磁干擾濾波器，必須良好接地，且接地線要短。L₁和C₁，組成低通濾波電路，當L₁的電感量較大時，必須增加VD₁和R₁形成續流迴路，以吸收L₁斷開時釋放時的電場能量，否則，產生的電壓尖峰就會形成EMI。L₁的磁芯使用閉合磁芯，可以避免開環磁芯的漏磁場形成EMI。C₁採用大容量的電容，可以減少輸入線上的紋波電壓，減弱在輸人導線周圍形成的電磁場。 1.3高頻逆變電路的EMC設計 高頻逆變電路的EMC設計如圖3所示。

C₂，C₃,VT₂,VT₃組成半橋逆變電路，VT₂，VT₃為IGBT或MOSFET等開關管。R₄和C₄構成EMI吸收迴路，在VT₂，VT₃兩端並聯C₅，C₆，由於VT₂，VT₃開通和關斷時，開關時間很短以及引線電感、漏感的存在，迴路會產生較高的di/dt,du/dt,從而形成EMI。C₄，C₅，C₆採用低感電容，其容量的大小由公式 LI²/2=C△U²/2求得C的值（L為迴路電感，I為迴路電流，△U為過沖電壓值）。 1.4輸出整流電路的EMC設計 輸出整流電路的EMC設計如圖4所示。

VD₆為整流二極體，VD₇為續流二極體。由於VD₆,VD₇工作於高頻開關狀態，是產生EMI的主要源頭。把R₅，C₁₂和R₆,C₁₃分別連接成VD₆，VD₇的吸收迴路，用於吸收其開關時產生的電壓尖峰。 減少整流二極體的數量可減少EMI的能量，因此，在同等條件下採用半波整流比全波整流和全橋整流產生的EMI要小。為減少二極體的EMI，選用具有軟恢復特性的、反向恢複電流小的且時間短的二極體。 1.5輸出直流濾波電路的EMC設計 直流EMI濾波器雙埠網路模型如圖5所示，其混合參數方程為：

式中：g₁₁為輸入導納；g₂₂為輸出阻抗；g₁₂為反向電流增益；g₂₁為正向電壓增益。 由式（1）可以等效出如圖6所示的原理圖。

直流EMI濾波器的設計必須滿足以下的要求： （1）要保證濾波器在濾波的同時不影響電源的帶負載能力； （2）對於輸入的直流分量，要求濾波器盡量不造成衰減； （3）對於諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果。 結合混合參數方程及等效原理圖，根據第一條要求，應使濾波器的輸入導納和輸出阻抗儘可能小，即g₁₁=g₂₂＝0。根據第二條要求，在低頻時反向電流增益g₁₂和正向電壓增益g₂₁的設計值要盡量為1，而輸入導納和輸出阻抗儘可能小，即g₁₂＝g₂₁＝1，g₁₁=g₂₂=0。根據第三條要求，在高頻時，g₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂都要儘可能的小。根據以上的條件，輸出直流濾波電路的EMC設計電路如圖7所示，L₂,C₁₇,C₁₈組成LC濾波電路，減少輸出電壓、電流紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的EMI。濾波電容C₁₇，C₁₈應盡量採用多個電容並聯，以減小等效串聯電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L₂應盡量大，以減小輸出紋波電流。

C₁₉用於濾除導線上的共模干擾，選用低感電容，接線要短。C₂₀，C₂₁，C₂₂，C₂₃用於濾除輸出線上的差模干擾，選用低感的三端電容。Z₂為直流濾波器，濾波器的輸入、輸出線要屏蔽隔離。 1.6開關電源印製電路板的EMC設計 印製電路板是高頻開關電源設計的最後一個環節，如果印製電路板設計不當，由於PCB上既有小信號控制線，又有高壓母線，還有高頻功率開關和磁性元件，將直接影響到電路中各元件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性，造成電源工作不穩定。單根導線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成，其計算公式如下兩式所示。 Z=R+jwL（2） L=2lIn（2l/b+1/2）（3） 式中：l為導線的長度；b為導線的寬度。 顯然，印製線越短，直流電阻R就越小，同時增大印製線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。從式（3）可知，印製線長度l越短，自感L就越小，而且增加印製線的寬度b也可降低自感L。多根印製線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，由互感M計算公式（4）可知，除受印製板的長度和寬度影響外，印製線的距離也起著重要作用。 M=2l[In2l/（b+s）-1]（4） 式中：s為兩線之間的距離。增大兩線之間的距離可減小互感。 由以上分析可知，在設計PCB時，應盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其他印製線都有電感，當電源電流變化較大時，將會產生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應盡量縮短地線，盡量加粗電源線和地線線條。 2結語 電磁兼容是一個十分複雜的問題，在設計高頻開關電源時，應對電源可能的電磁環境進行充分估計，可能全面地考慮高頻開關電源與外界環境的耦合途徑，利用各種抑制干擾技術來消除干擾耦合，增強高頻開關電源的抗干擾能力。主要的措施包括合適的接地，良好的搭接，合理的布線及屏蔽、濾波、限幅等。只有在設計時充分考慮EMC 的設計，才能使高頻開關電源的電磁干擾降到最低點。
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