导言
开关电源与线性稳压电源比较，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压规模宽等许多长处，己被广泛使用于计算机及其外围设备、通讯、自动操控、家用电器等范畴。但开关电源的杰出缺陷是能发生较强的电磁搅扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率规模，又有必定的起伏，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通讯设备和电子产品构成搅扰。假如处理不妥，开关电源本身就会变成一个打扰源。现在，电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，按捺开关电源的EMI，进步电子产品的质量，使之契合EMC规范，已成为电子产品规划者越来越重视的问题。本文就高频开关电源规划中的电磁兼容性问题进行了讨论。
1、开关电源的组成及作业原理
1.1、组成
开关电源的组成框图如图1所示，它由以下几个部分组成：
1）主电路包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波；
2）操控与维护电路；
3）检测与显现电路除了供给维护电路所需的各种参数外，还供给各种显现数据；
4）辅佐电源。
图1、开关电源的组成框图
1.2、开关稳压电源原理
开关稳压电源电路如图2所示。图2中的开关K以必定的时刻间隔重复地接通和断开，在K接通时，输入电源Vin通过K和滤波电路供电给负载RL，当K断开时，输入电源Vin便中断了能量的供给。可见，输入电源向负载供给能量是断续的，为使负载能得到接连的能量供给，开关稳压电源有必要要有一套储能设备，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载开释。图2中，由储能电感L、滤波电容C2和续流二极管D组成的电路，就具有这种功用。在AB间的电压平均值VAB可用式（1）标明。
VAB=Vinton/T=DVin（1）
式中：ton为K导通时刻；
T为K作业周期；
D为占空比，D=ton/T。
图2、开关稳压电源电路原理图
由式（1）可知，改动D，即可改动VAB。因而，跟着负载及输入电源电压的改动调整D便能使输出电压Vo坚持不变。这种操控办法称为时刻比率操控（Time Ratio Control，缩写为TRC）。按TRC原理，它有3种办法：
1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）其开关周期安稳，通过改动脉冲宽度来改动占空比的办法；
2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）导通脉冲宽度安稳，通过改动开关作业频率来改动占空比的办法；
3）混合调制导通脉冲宽度和开关作业频率均不固定，彼此都能改动的办法，它是以上二种办法的结合。 2、开关电源发生电磁搅扰的机理
开关电源之所以是一个很强的电磁打扰源，来源于高频通断的开关器材和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。
2.1、开关管与整流管
开关管、整流管高频通断时所发生的dv/dt、di/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰厚，是一个很强的打扰源。
2.2、高频变压器
开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈发生很大的涌流，并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传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻构成带有尖峰的衰减振动，叠加在关断电压上，构成关断电压尖峰，发生与初级线圈接通时相同的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，构成传导打扰，重者有或许击穿开关管。
别的，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路或许会发生较大的空间辐射，构成辐射打扰。假如电容滤波容量缺乏或高频特性欠好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模办法传导到沟通电源中构成传导打扰。需求留意的是，二极管整流电路发生的电磁打扰中，整流二极管反向康复电流的|di/dt|远比续流二极管反向康复电流的|di /dt|大得多。作为电磁打扰源来研讨，整流二极管反向康复电流构成的打扰强度大，频带宽。可是，整流二极管发生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时发生的电压跳变。因而，不计整流二极管发生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁打扰耦合通道的一部分来研讨也是能够的。
2.3、杂散参数影响耦合通道的特性
在传导打扰频段（<30MHz），大都开关电源打扰的耦合通道是能够用电路网络来描绘的。可是，在开关电源中的任何一个实践元器
件，如电阻器、电容器、电感器甚至开关管、二极管都包括有杂散参数，且研讨的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因而，包括各元器材杂散参数和元器材间的耦合在内的开关电源的等效电路将杂乱得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁打扰的通道。别的，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能疏忽，它能构成面向空间的辐射打扰和电源线传导的共模打扰。
3、电磁兼容规划
3.1、输入端滤波器的规划
开关电源发生的噪声包括共模噪音和差模噪音。共模搅扰是由于载流导体与大地之间的电位差发生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模搅扰则是由于载流导体之间的电位差发生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。一般，线路上搅扰电压的这两种重量是一起存在的。为此应在电源输入端加滤波器，滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越凶猛，完成的衰减越抱负，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，假如噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；假如噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。由于线路阻抗的不平衡，两种重量在传输中会彼此改变，状况十分杂乱。典型的EMI滤波器包括了共模杂讯和差模杂讯两部分的按捺电路，如图3所示。
图3、电源滤波器
图中：差模按捺电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；
差模按捺电感L1，L2100～130μH；
共模按捺电容Cy1，Cy2<10000pF；
共模按捺电感L15～25mH。
插入损耗的界说如图4所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗持平，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为
IL=20log
（2）
规划时，有必要使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率显着低于开关电源的作业频率，一般要低于10kHz，即f=
<10kHz。
图4、插入损耗的界说
图5是差模与共模搅扰的示意图。
（a）差模搅扰 （b）共模搅扰
图5、差模与共模搅扰示意图
在实践使用中，由于设备所发生的共模和差模的成分不相同，所以，滤波电路可适当添加或削减滤波元件。详细电路的调整一般要通过EMI试验后才干有满意的成果，装置滤波电路时必定要确保接地杰出，并且输入端和输出端要杰出阻隔，不然，起不到滤波的效果。
图6是两种滤波电路，它们的滤波效果如图7试验曲线所示。
（a）滤波电路1
（b）滤波电路2
图6、两种滤波电路
①为加滤波器电路1②为加滤波电路2
图7、两种滤波电路效果试验曲线
3.2、辐射EMI的按捺办法
要下降辐射搅扰，可使用电压缓冲电路，如在开关管两头并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。
功率开关管的集电极是一个强打扰源，开关管的散热片应接到集电极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而发生的电流流入主电路中。为削减散热片和机壳之间的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可选用有屏蔽办法的散热片。整流二极管应选用康复电荷小，且反向康复时刻短的，如肖特
基管，最好是选用反向康复呈软特性的。别的，在肖特基管两头套磁珠和并联RC吸收网络均可削减搅扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽或许短，以削减引线电感。
负载电流越大，二极管反向康复的时刻也越长，则尖峰电流的影响也越大。选用多个二极管并联来分管，能够下降短路尖峰电流的影响。
开关电源有必要屏蔽，选用模块式全密封结构，一般用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层有必要杰出接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，能够按捺搅扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，能够将磁力线约束在磁阻小的屏蔽体内。
例如，对辐射搅扰超越规范限值20dB的某开关电源，选用了如下一些在试验室简单完成的办法进行了改善：
1）在一切整流二极管两头并联470pF电容；
2）在开关管G极的输入端并联50pF电容，与原有的39Ω电阻构成一RC低通滤波器；
4）在整流二极管管脚上套一小磁珠；
5）改善屏蔽体的接地。
通过上述改善后，该电源就能够通过辐射搅扰测验的限值要求。
3.3、传导打扰的处理办法
开关电源的传导打扰通过输入电源线向外传达，既有差模打扰、又有共模打扰。传导打扰的测验频率规模为0.15～30MHz，限值要求如表1所列。
表1传导打扰限值表
在 0.15～1MHz的频率规模内，打扰首要以共模的方法存在，在1～10MHz的频率规模内，打扰的方法是差模和共模共存，在10MHz以上，打扰的方法首要以共膜为主。差模打扰的发生首要是由于开关管作业在开关状况，当开关管注册时，流过电源线的电流线性上升，开关管关断时电流突变为零，因而，流过电源线的电流为高频的三角脉动电流，含有丰厚的高频谐波重量，跟着频率的升高，该谐波重量的起伏越来越小，因而差模打扰随频率的升高而下降，输出回路的滤波电路如图8所示，电容C5与电感L3组成低通滤波器，差模传导打扰首要存在低频率段。
图8输出回路的滤波电路
发生共模打扰的首要原因是电源与大地（维护地）之间存在分布电容，电路中方波电压的高频谐波重量通过分布电容传入大地，与电源线构成回路，发生共模打扰。如图8所示，L、N为电源输入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2组成输入EMI滤波器，DB1为整流桥，VT2为开关管，开关管装置在散热器上时，开关管的D极与散热器相连，与散热器之间构成一个耦合电容，如图8中的C7所示，VT2作业在开关状况，其D极的电压为高频方波，方波的频率为开关管的开关频率，方波中的各次谐波就会通过耦合电容、L、N电源线构成回路，发生共模打扰。电源与大地的分布电容比较涣散，难以预算，但从图8来看，VT2的 D极与散热器之间耦合电容的效果最大，从DB1到电感L3之间的电压为100Hz，而从L3到VD1和VT2的D极之间的连线的电压均为方波电压，含有许多的高次谐波。其次L3的影响也比较大，但L3与机壳的间隔比较远，分布电容比开关管和散热器之间的耦合电容小得多，因而，咱们首要考虑开关管与散热器之间的耦合电容。
3.4、接地技能的使用
“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，意图也不同。“地”的经典界说是“作为电路或体系基准的等电位点或平面”。
3.4.1、设备的信号接地
设备的信号接地，或许是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参阅点，它为设备中的一切信号供给了一个公共参阅电位。在这里介绍浮地和混合接地，别的，还有单点接地和多点接地。
1）浮地选用浮地的意图是将电路或设备与公共接地体系，或或许引起环流的公共导线阻隔开来。浮地还能够使不同电位间的电路合作变得简单。完成电路或设备浮地的办法有变压器阻隔和光电阻隔。浮地的最大长处是抗搅扰功能好。浮地的缺陷是由于不与公共地相连，简单在两者间构成静电堆集，当电荷堆集到必定程度后，或许引起剧烈的静电放电，而成为破环性很强的打扰源。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，用以开释所堆集的电荷。留意操控开释电阻的阻抗，太低的阻抗会影响设备走漏电流的合格性。
2）混合接地混合接地使接地体系在低频和高频时出现不同的特性，这在宽带灵敏电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗，因而能够防止两模块之间的地环路构成。当将直流地和射频地分隔时，将每个子体系的直流地通过10～100nF的电容器接到射频地上，这两种地应在一点有低阻抗衔接起来，衔接点应选在最高翻转速度di/dt信号存在的点。
3.4.2、设备接大地
在工程实践中，除仔细考虑设备内部的信号接地外，一般还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参阅点。设备接大地的意图是：
1）确保设备操作人员人身的安全；
2）泄放机箱上所堆集的电荷，防止电荷堆集使机箱电位升高，构成电路作业的不安稳；
3）防止设备在外界电磁环境的效果下使设备对大地的电位发生改动，构成设备作业的不安稳。
由此可见，设备接大地除了是对人员安全、设备安全的考虑外，也是按捺打扰发生的重要手法。
3.5、屏蔽技能
按捺开关电源发生打扰辐射的又一种办法是屏蔽，意图是堵截电磁波的传达途径，用电磁屏蔽的办法处理电磁搅扰问题不会影响电路的正常作业。它用电导率杰出的资料对电场进行屏蔽，用磁导率高的资料对磁场进行屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场走漏，可利用闭合环构成磁屏蔽，别的，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最好为圆形多孔，在满意通风的条件下，孔的数量能够多，每个孔的尺度要尽或许小。接缝处要焊接，以确保电磁通路的接连性，假如选用螺钉固定，留意螺钉间隔要短。屏蔽外壳的引进、引出线处要采纳滤波办法，不然，这些会成为打扰发射天线，严峻下降屏蔽效果。若对电场屏蔽，屏蔽外壳必定要接地，不然，将起不到屏蔽效果；若对磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳必定要进行电场屏蔽，不然，很难通过辐射打扰测验。关于开关电源来说，首要是做好机壳屏蔽，高频变压器屏蔽，开关管和整流二极管的屏蔽，选用光电阻隔技能。功率开关管和输出二极管一般有较大的功率损耗，为了散热往往需求装置散热器或直接装置在电源底板上。器材装置时需求用导热功能好的绝缘片进行绝缘，这就使器材与底板和散热器之间发生了分布电容，开关电源的底板是沟通电源的地线，因而通过器材与底板之间的分布电容将电磁搅扰耦合到沟通输入端发生共模搅扰，处理这个问题的办法是选用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，堵截射频搅扰向输入电网传达的途径。为了按捺开关电源发生的辐射电磁搅扰对其他电子设备的影响，可彻底依照对磁场屏蔽的办法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与体系的机壳和地衔接为一体，就能对电磁场进行有用的屏蔽。电源某些部分与大地相连能够起到按捺搅扰的效果。例如，静电屏蔽层接地能够按捺改动电场的搅扰;电磁屏蔽用的导体原则上能够不接地，但不接地的屏蔽导体经常增强静电耦合而发生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能一起发挥静电屏蔽的效果。电路的公共参阅点与大地相连，可为信号回路供给安稳的参阅电位。因而，体系中的安全维护地线、屏蔽接地线和公共参阅地线各自构成接地母线后，终究都与大地相连。
3.6、元器材布局及印制电路板布线技能
开关电源的辐射打扰与电流通路中的电流巨细、通路的环路面积、以及电流频率的平方的乘积成正比，即辐射打扰E∝IAf2。运用这一联系的条件是通路尺度远小于频率的波长。
上述联系式标明减小通路面积是减小辐射打扰的要害，便是说开关电源的元器材彼此要严密摆放。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此接近，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靠近。
在规划印制电路板时，应尽量将彼此相关的元器材摆放在一起，以防止因元器材离的太远而构成印制线过长所带来的搅扰；再者将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口邻近，以防止因耦合途径而发生的搅扰。在印制板上，将正负载流导线别离紧靠布在印制板的双面，并设法使之坚持平行，由于平行紧靠的正负载流导体所发生的外部磁场是趋向于彼此抵消的。实践证明，印制板的元器材安置和布线规划对开关电源EMC功能有极大的影响，在高频开关电源中，由于印制板上既有电平为±5V～±15V的小信号操控线，又有高压电源母线，一起还有一些高频功率开关、磁性元件，如安在印制板有限的空间内合理地组织元器材方位，将直接影响到电路中各元器材本身的抗搅扰性和电路作业的可靠性。别的，切忌两条印制信号线平行走线。假如平行走线无法防止，可通过以下办法来弥补：
1）在两条信号线之间加一条地线，以起屏蔽效果；
2）尽量摆开两条平行信号线之间的间隔，以下降两线之间电磁场的影响；
3）使两条平行的信号线流过的电流方向相反。布线间的电磁耦合是通过电场和磁场进行的，因而在布线时，应留意对电场与磁场耦合的按捺。对电场的按捺办法有：
1）尽量增大线间间隔，使电容耦合为最小；
2）选用静电屏蔽，屏蔽层要接地；
3）下降灵敏线路的输入阻抗。
对磁场的按捺办法有：
1）减小打扰源和灵敏电路的环路面积；
2）增大线间间隔，使耦合打扰源与灵敏电路间的互感尽或许地小；
3）最好使打扰源与灵敏电路呈直角布线，以便大大下降线路间耦合。
别的，通过剖析印制导线的特性阻抗，来选取印制导线的放置办法、长度、宽度以及布局办法。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成，印制线l越短，直流电阻R就越小；一起添加印制线的宽度和厚度也可下降直流电阻R。印制线长度l越短，自感L就越小，并且添加印制线的宽度b也可下降自感L。而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，互感M除受印制线的长度和宽度影响外，印制线之间间隔也起着重要的效果，增大两线的间隔可削减互感。针对以上现象，在规划印制电路板时，应尽量下降电源线和地线的阻抗，由于电源线、地线和其它印制线都有电感，当电源电流改动较大时，将会发生较大的压降，而地线压降是构成公共阻抗搅扰的重要要素，所以应尽量缩短地线，也可尽量加粗电源线和地线线条。在双面印制板规划中，除尽或许地加粗电源线和地线线条之外，还应在地线和电源线之间装置高频特性好的去耦%&&&&&%。
4、结束语
要进步开关频率，进步开关电源产品的质量，电磁兼容性问题有必要要点考虑。本文是在剖析了搅扰发生机理以及通过许多实践的基础上，提出的行之有用的按捺办法。发生开关电源电磁搅扰的要素还许多，按捺电磁搅扰还有许多的作业要做。在规划时，还要从消除打扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，堵截电磁搅扰的传达途径动身，使开关电源的电磁搅扰降到最低点。
