開關(guān)電源系統(tǒng)關(guān)于EMC的三大思考

Ameya360

開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等許多優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域。

但開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射后會影響電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。

如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者越來越關(guān)注的問題。

我們先來看看外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等；如下圖：

1、電源噪聲？

2、電源復(fù)位？

3、電源輸出？

4、電源損壞？等等。

瞬態(tài)干擾（EMS）對設(shè)備會產(chǎn)生威脅，出現(xiàn)產(chǎn)品功能及性能的問題。

后面我們通過PCB的分析來講解開關(guān)電源系統(tǒng)EMS的問題；

開關(guān)電源系統(tǒng)的產(chǎn)品EMC的三大思考問題，了解了＆找得到就能解決EMC。

1．信號（源）；

2．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；

3．地的連接 。

傳導(dǎo)干擾共模與差模信號的電流路徑分析。

開關(guān)電源通常是將工頻交流電整流為直流電， 然后經(jīng)過開關(guān)管的控制使其變?yōu)楦哳l， 再經(jīng)過整流濾波電路輸出， 得到穩(wěn)定的直流電壓。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電， 開關(guān)管高頻通斷， 輸出整流二極管的反向恢復(fù)等工作過程中產(chǎn)生了極高的di／dt和du／dt ，形成了強(qiáng)烈的浪涌電流和尖峰電壓， 它是開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的最基本原因。

另外，開關(guān)管的驅(qū)動波形， MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀的周期波。因此， 其頻率是MHz級別的，有著很高的高頻諧波分量！ 這些高頻信號對開關(guān)電源的基本信號， 特別是控制電路的信號造成干擾。

簡單的說：開關(guān)電源系統(tǒng)當(dāng)MOS管開通時，L，N回路中變壓器電感的電流線性上升；MOS關(guān)斷時 L，N回路電流迅速關(guān)斷；此時回路的電流波形為三角波；高頻的三角波電流的諧波分量形成系統(tǒng)的差模干擾。

雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

在傳導(dǎo)騷擾頻段（＜30MHz），多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個實(shí)際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。

在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。

簡單的說：在高頻段＞1MHZ時，開關(guān)電源系統(tǒng)對地就存在分布電容；系統(tǒng)的關(guān)鍵信號，關(guān)鍵走線對地都存在分布電容；分布電容形成對地回到L，N的共模干擾信號。同時分布電容的環(huán)路形成對空間的輻射干擾！

輻射干擾共模與差模信號的磁場分布。

1．差模電流的磁場主要集中在差模電流構(gòu)成的回路面積之內(nèi)，而回路面積之外的磁力線會相互抵消；

2．共模電流的磁場，在回路面積之外，共模電流產(chǎn)生的磁場方向相同，磁場強(qiáng)度反而加強(qiáng)。

注意：

關(guān)于輻射的一個重要基本概念是：電流導(dǎo)致輻射，而非電壓。

輻射干擾共模與差模信號的場強(qiáng)特性。

1．較小的共模電流能夠產(chǎn)生強(qiáng)度很高的輻射；

2．很多因素都能導(dǎo)致共模電流；

比如：

A．電網(wǎng)串入共模干擾電壓－（我們EMS的部分模擬測試）；

B．輻射干擾（如雷電，設(shè)備電弧，附近電臺，大功率輻射源）在信號線上感應(yīng)出共模干擾；

C．接地電壓不一樣。也就是說地電位差異引入共模干擾；

D．也包括設(shè)備內(nèi)部電線對電源線的影響。

數(shù)據(jù)結(jié)果－40dB 測試數(shù)據(jù)分析：

Data1： 一個20mA的差模電流，

在30MHZ時，將在3m遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生一個強(qiáng)度為100uV／m的輻射電場。

Data2： 一個8uA的共模電流，

在30MHZ時，將在3m遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生一個強(qiáng)度為100uV／m的輻射電場。

很小的共模電流 和 很大的差分電流產(chǎn)生大小相等的RF能量。

原因：共模電流不能在RF返回路徑中進(jìn)行磁力線的抵消。

輻射干擾系統(tǒng)分布參數(shù)影響的電磁場環(huán)路分析

開關(guān)電源系統(tǒng)對地就存在分布電容；系統(tǒng)的關(guān)鍵信號，關(guān)鍵走線對地都存在分布電容；共模電流通過布局布線流經(jīng)系統(tǒng)的信號線及電纜的分布電容形成對地 回到L，N的共模干擾信號。同時分布電容的環(huán)路形成對空間的輻射干擾。

其中＞30MHZ以上 為輻射發(fā)射的天線接收；即共模輻射在空間產(chǎn)生電磁場，此時被輻射騷擾測試接收天線接收后，那么就形成了產(chǎn)品對外的輻射騷擾。

對電子產(chǎn)品的EMC的三大思考問題。

A．信號（源） 在哪里；

B．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是這樣的嗎；

C．地的連接 還有更好的方法嗎？

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