高频开关电源的EMC设计

0 引 言
    目前，在计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域中大量使用高频开关电源，但高频开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰(Electro Magnet-ic Interference，EMI)。
    由于高频开关电源的一次整流桥是非线性器件，其形成的电流是严重失真的正弦半波，含有丰富的高次谐波，形成了一系列连续、脉动和瞬变干扰。因此，在高频开关电源设计中必须考虑电磁兼容性(Electro Magnet-ic Compatbility，EMC)的设计。
    电网完全在自然环境中，连接着各种电子电气设备，有着复杂的电磁转换过程，可能会引起一些问题：外来噪声使高频开关电源设备的控制电路出现误动作；通信设备由于高频开关电源设备的噪声而出现误动作；高频开关电源设备对电网产生噪声污染；高频开关电源设备向空间散发噪声。
    根据上述情况，针对高频开关电源存在的缺点，在此对其电路及印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)进行了电磁兼容性的设计研究。

1 高频开关电源的EMC设计
1．1 高频开关电源主电路组成
    高频开关电源主电路组成框图如图1所示，它由输入滤波电路、高频逆变电路、输出整流电路及输出直流滤波电路等组成。

1．2 输入滤波电路的EMC设计
    输入滤波电路的EMC设计如图2所示。

 VD2为瞬态电压抑制二极管，Rv1为压敏电阻，它们都具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元气件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流抗电磁干扰滤波器，必须良好接地，且接地线要短。L1和C1组成低通滤波电路，当L1的电感量较大时，必须增加VD1和R1形成续流回路，以吸收L1断开时释放时的电场能量，否则，L1产生的电压尖峰就会形成EMI。L1的磁芯使用闭合磁芯，可以避免开环磁芯的漏磁场形成EMI。C1采用大容量的电容，可以减少输入线上的纹波电压，减弱在输入导线周围形成的电磁场。
1．3 高频逆变电路的EMC设计
    高频逆变电路的EMC设计如图3所示。

 C2，C3，VT2，VT3组成半桥逆变电路，VT2，VT3为IGBT或MOSFET等开关管。R4和C4构成EMI吸收回路，或在VT2，VT3两端并联C5，C6，由于VT2，VT3开通和关断时，开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di／dt，du／dt，从而形成EMI。C4，C5，C6采用低感电容，其容量的大小由公式LI2／2=C△U2／2求得C的值(L为回路电感，I为回路电流，△U为过冲电压值)。[!--empirenews.page--]
1．4 输出整流电路的EMC设计
    输出整流电路的EMC设计如图4所示。

 VD6为整流二极管，VD7为续流二极管。由于VD6，VD7工作于高频开关状态，是产生EMI的主要源头。把R5，C12和R6，C13分别连接成VD6，VD7的吸收回路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。
    减少整流二极管的数量可减少EMI的能量，因此，在同等条件下采用半波整流比全波整流和全桥整流产生的EMI要小。为减少二极管的EMI，选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的且时间短的二极管。
1．5 输出直流滤波电路的EMC设计
    直流EMI滤波器双端口网络模型如图5所示，其混合参数方程为：

式中：g11为输入导纳；g22为输出阻抗；g12为反向电流增益；g21为正向电压增益。

由式(1)可以等效出如图6所示的原理图。

直流EMI滤波器的设计必须满足以下的要求：
    (1)要保证滤波器在滤波的同时不影响电源的带负载能力；
    (2)对于输入的直流分量，要求滤波器尽量不造成衰减；
    (3)对于谐波分量，滤波器要有良好的滤波效果。
    结合混合参数方程及等效原理图，根据第一条要求，应使滤波器的输入导纳和输出阻抗尽可能小，即g11=g22=0。根据第二条要求，在低频时反向电流增益g12和正向电压增益g21的设计值要尽量为1，而输入导纳和输出阻抗尽可能小，即g12=g21=1，g11=g22=0。根据第三条要求，在高频时，g11,g12,g21，g22都要尽可能的小。根据以上的条件，输出直流滤波电路的EMC设计电路如图7所示，L2，C17,C18组成LC滤波电路，减少输出电压、电流纹波的大小，从而减小通过辐射传播的EMI。滤波电容C17,C18应尽量采用多个电容并联，以减小等效串联电阻，从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大，以减小输出纹波电流。
    C19用于滤除导线上的共模干扰，选用低感电容，接线要短。C20，C21,C22，C23用于滤除输出线上的差模干扰，选用低感的三端电容。Z2为直流滤波器，滤波器的输入、输出线要屏蔽隔离。[!--empirenews.page--]
1．6 开关电源印制电路板的EMC设计
    印制电路板是高频开关电源设计的最后一个环节，如果印制电路板设计不当，由于PCB上既有小信号控制线，又有高压母线，还有高频功率开关和磁性元件，将直接影响到电路中各元件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性，造成电源工作不稳定。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成，其计算公式如下两式所示。

式中：l为导线的长度；b为导线的宽度。

显然，印制线越短，直流电阻R就越小，同时增大印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻R。从式(3)可知，印制线长度l越短，自感L就越小，而且增加印制线的宽度b也可降低自感L。多根印制线的特性阻抗除由直流电阻R和自感L组成外，还有互感M的影响，由互感M计算公式(4)可知，除受印制板的长度和宽度影响外，印制线的距离也起着重要作用。
    M=2l[ln 2l／(b+s)-1] (4)
式中：s为两线之间的距离。增大两线之间的距离可减小互感。
    由以上分析可知，在设计PCB时，应尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其他印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，尽量加粗电源线和地线线条。

2 结 语
    电磁兼容是一个十分复杂的问题，在设计高频开关电源时，应对电源可能的电磁环境进行充分估计，尽可能全面地考虑高频开关电源与外界环境的耦合途径，利用各种抑制干扰技术来消除干扰耦合，增强高频开关电源的抗干扰能力。主要的措施包括合适的接地，良好的搭接，合理的布线及屏蔽、滤波、限幅等。只有在设计时充分考虑EMC的设计，才能使高频开关电源的电磁干扰降到最低点。