开关电源的电磁兼容设计[推荐]

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王会立

(北京承力通讯设备厂，北京  101300）

摘要：分析了开关电源电磁骚扰的机理，提出相应的抑制措施。讨论了电磁兼容设计中需要加以注意的问题。

关键词：开关电源；电磁兼容；电磁骚扰；耦合通道

Electromagnetic Compatibility Design of Switching-mode Power Supply  

WANG Hui-li  

Abstract:The machanism of electromagnetic disturbance in switching-mode power supply is analysed,and the suppressing metheds are presented.A few key points of EMC design are discussed.

Keywords:Switching? mode power supply; Electromagnetic compatibility; EMD; Coupling path

中图分类号：TN912   文献标识码：A  文章编号：0219－2713(2003)04－0152－04

　

1  引言

    电磁兼容是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降，它包括电磁骚扰（EMD）和电磁敏感（EMS）两方面的内容。EMD是指电气产品向外发出噪声，EMS则是指电气产品抵抗外来电磁骚扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁环境的影响也不对周围造成电磁骚扰。

    开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（<30MHz）是比较低的。多数小功率开关电源的几何尺寸远小于30MHz电磁场对应的波长（空气介质中约为10m），开关电源系统研究的电磁骚扰现象属于似稳场的范围，研究它们的电磁骚扰问题时，主要考虑的是传导骚扰。

2  电磁骚扰

    讨论电磁骚扰一般是从骚扰源的特性，骚扰的耦合通道特性和受扰体的特性三个方面来进行的。

2.1  开关电源中的主要电磁骚扰源

    开关电源中的电磁骚扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件；在开关电源中，印制板布线不当也是引起电磁骚扰的一个主要因素。

2.1.1  开关电路产生的电磁骚扰

    对开关电源来说，开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的dv/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲骚扰产生的主要原因是

    1）开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。

    2）脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。

2.1.2  二极管整流电路产生的电磁骚扰

    主电路中整流二极管产生的反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的|di/dt|小得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。整流二极管产生的电压跳变远小于电源中的功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。

2.1.3  dv/dt与负载大小的关系

    功率开关管开通和关断时产生的dv/dt是开关电源的主要骚扰源。经理论分析及实验表明，负载加大，关断产生的|dv/dt|值加大，而负载变化对开通的|dv/dt|影响不大。由于开通和关断时产生的|dv/dt|不同，从而对外部产生的骚扰脉冲也是不同的。

2.2  开关电源电磁噪声的耦合通道

    描述开关电源和系统传导骚扰的耦合通道有两种方法：

    1）将耦合通道分为共模通道和差模通道；

    2）采用系统函数来描述骚扰和受扰体之间的耦合通道的特性。

    本文采用第一种方法进行论述。

2.2.1  共模和差模骚扰通道

    开关电源在由电网供电时，它将从电网取得的电能变换成另一种特性的电能供给负载。同时开关电源又是一噪声源，通过耦合通道对电网、开关电源本身和其它设备产生骚扰，通常多采用共模和差模骚扰加以分析。

    “共模骚扰”是指骚扰大小和方向一致，其存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模骚扰也称为纵模骚扰、不对称骚扰或接地骚扰。是载流体与大地之间的骚扰。

    “差模骚扰”是指大小相等，方向相反，其存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模骚扰也称为常模骚扰、横模骚扰或对称骚扰。是载流体之间的骚扰。

    共模骚扰说明骚扰是由辐射或串扰耦合到电路中的，而差模骚扰则说明骚扰源于同一条电源电路的。通常这两种骚扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种骚扰在传输中还会相互转化，情况十分