高頻開關(guān)電源的電磁兼容解決辦法

隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的不斷完善和日趨成熟，其在鐵路信號(hào)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用也在迅速增加。與此同時(shí)，高頻開關(guān)電源自身存在的電磁干擾（EMI）問題如果處理不好，不僅容易對(duì)電網(wǎng)造成污染，直接影響其他用電設(shè)備的正常工作，而且傳入空間也易形成電磁污染，由此產(chǎn)生了高頻開關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問題。

高頻開關(guān)電源等電子產(chǎn)品電磁兼容重要性的凸現(xiàn)，我們應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期階段，同時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，此時(shí)結(jié)構(gòu)和電路方案尚未定型，可選用的方法較多。如果等到生產(chǎn)階段再去解決，不但給技術(shù)和工藝上帶來很大難度，而且會(huì)造成人力、財(cái)力和時(shí)間的極大浪費(fèi)。所以，要走出設(shè)計(jì)修改法的誤區(qū)，正確運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)法。

本文重點(diǎn)對(duì)鐵路信號(hào)電源屏使用的1200W（24V/50A）高頻開關(guān)電源模塊所存在的電磁干擾超標(biāo)問題進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類。傳導(dǎo)干擾通過交流電源傳播，頻率低于30MHz；輻射干擾通過空間傳播，頻率在30～1000MHz。

高頻開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

高頻開關(guān)電源的主拓?fù)潆娐吩恚鐖D1所示。

高頻開關(guān)電源電磁干擾源的分析

在圖1a電路中的整流器、功率管Q1，在圖1b電路中的功率管Q2～Q5、高頻變壓器T1、輸出整流二極管D1～D2都是高頻開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾的主要干擾源，具體分析如下。

（1）整流器整流過程產(chǎn)生的高次諧波會(huì)沿著電源線產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。

（2）開關(guān)功率管工作在高頻導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，為了降低開關(guān)損耗，提高電源功率密度和整體效率，開關(guān)管的打開和關(guān)斷的速度越來越快，一般在幾微秒，開關(guān)管以這樣的速度打開和關(guān)斷，形成了浪涌電壓和浪涌電流，會(huì)產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波，對(duì)空間和交流輸入線形成電磁干擾。

（3）高頻變壓器T1進(jìn)行功率變換的同時(shí)，產(chǎn)生了交變的電磁場(chǎng)，向空間輻射電磁波，形成了輻射干擾。變壓器的分布電感和電容產(chǎn)生振蕩，并通過變壓器初次級(jí)之間的分布電容耦合到交流輸入回路，形成傳導(dǎo)干擾。

（4）在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也是一種電磁干擾源。

由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓和電流變化率下，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大，干擾信號(hào)就越強(qiáng)，由此產(chǎn)生高頻衰減振蕩，這是一種差模傳導(dǎo)干擾。

所有產(chǎn)生的這些電磁信號(hào)，通過電源線、信號(hào)線、接地線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)酵獠侩娫葱纬蓚鲗?dǎo)干擾。通過導(dǎo)線和器件輻射或通過充當(dāng)天線的互連線輻射的干擾信號(hào)造成輻射干擾。

針對(duì)高頻開關(guān)電源電磁干擾的電磁兼容設(shè)計(jì)

（1）開關(guān)電源入口加電源濾波器，抑制開關(guān)電源所產(chǎn)生的高次諧波。

（2）輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環(huán)，一方面抑制電源線內(nèi)的高頻共模，另一方面減小通過電源線輻射的干擾能量。

（3）電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)路面積；把輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線，減小輸入輸出間的電磁耦合；信號(hào)線遠(yuǎn)離電源線，靠近地線走線，并且走線不要過長(zhǎng)，以減小回路的環(huán)面積；PCB板上的線條寬度不能突變，拐角采用圓弧過渡，盡量不采用直角或尖角。

（4）對(duì)芯片和MOS開關(guān)管安裝去耦電容，其位置盡可能地靠近并聯(lián)在器件的電源和接地管腳。

（5）由于接地導(dǎo)線存在Ldi/dt，PCB板和機(jī)殼間接地采用銅柱連接，對(duì)不適合用銅柱連接的采用較粗的導(dǎo)線，并就近接地。

（6）在開關(guān)管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路，吸收浪涌電壓。

高頻開關(guān)電源電磁干擾測(cè)試曲線

在3m法電波暗室對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其L、N線的傳導(dǎo)干擾檢測(cè)曲線如圖2、3所示，輻射干擾的垂直極化掃描曲線如圖4、5所示。

根據(jù)鐵路客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳導(dǎo)干擾限值和輻射干擾限值如表1、2所示。

本開關(guān)電源一次通過了傳導(dǎo)干擾的測(cè)試，測(cè)試波形如圖2、3所示。輻射干擾高頻段230～1000MHz也測(cè)試合格，如圖5所示。只是在30～200MHz頻段范圍內(nèi)的垂直極化指標(biāo)超標(biāo)，最大超標(biāo)20dB，如圖4所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，通過電磁兼容設(shè)計(jì)在傳導(dǎo)干擾抑制方面取得了良好效果，在高頻段輻射干擾的設(shè)計(jì)也達(dá)到了預(yù)期效果，下面還需對(duì)在30～200MHz頻段范圍內(nèi)的輻射干擾進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

高頻開關(guān)電源輻射干擾的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由圖4可以看出，本開關(guān)電源存在輻射干擾超標(biāo)的現(xiàn)象，為了抑制電磁干擾而使用鐵氧體元件，價(jià)格便宜，效果明顯。鐵氧體元件等效電路是電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。低頻時(shí)，R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時(shí)，R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使高頻干擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。總之，選擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條：

（1）鐵氧體的體積越大，抑制效果越好；
（2）在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好；
（3）內(nèi)徑越小抑制效果也越好；
（4）橫截面越大，越不易飽和；
（5）磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低；
（6）鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方；
（7）在輸入、輸出導(dǎo)線上安裝時(shí)，應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。

根據(jù)上面對(duì)高頻開關(guān)電源干擾源和鐵氧體元件的分析，決定在靠近干擾源的地方套磁珠與磁環(huán)。圖1a中電容C1的接地端套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二極管D1和D2使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)（φ13.5×φ7.5×7）繞兩圈且靠近出口處。經(jīng)過處理后重新測(cè)試，其掃描曲線如圖6所示。由此可見，大部分頻段的輻射干擾已被抑制到標(biāo)準(zhǔn)要求以下，但在頻率81、138、165kHz附近處仍然超標(biāo)。

根據(jù)對(duì)開關(guān)電源電磁干擾源的分析可知，在圖1b電路中高頻變壓器T1也是一個(gè)干擾源。為了阻止高頻變壓器產(chǎn)生的干擾信號(hào)以輻射方式發(fā)射，把變壓器的外殼用屏蔽材料銅箔環(huán)繞一圈構(gòu)成一回路加以屏蔽，以切斷變壓器通過空間耦合形成的輻射干擾傳播途徑。并且為了減少因變壓器一次側(cè)開通時(shí)電流瞬間突變產(chǎn)生的di／dt干擾，在變壓器T1的一次側(cè)串進(jìn)1個(gè)電感，以減小器件的開通損耗，降低輻射干擾信號(hào)。經(jīng)過整改后，輻射干擾大大下降，再次對(duì)本電源輻射干擾進(jìn)行測(cè)試，完（）全達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，其測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

與EMI相關(guān)的因素多且復(fù)雜，僅做到上述的幾點(diǎn)措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有接地技術(shù)、PCB布局走線等都很重要。電磁兼容的設(shè)計(jì)任重而道遠(yuǎn)，我們要不斷進(jìn)行研究探索，使我國(guó)的電子產(chǎn)品電磁兼容水平與國(guó)際同步。