开关电源EMC必须掌握的几个概念

1。电磁干扰的产生和传播

有两种传播电磁干扰的方法：一种是传导传输，另一种是辐射传输。传导传输是干扰源和敏感设备之间的完整电路连接。 干扰信号沿连接电路传输到接收器，并发生电磁干扰。

辐射传输是一种干扰形式，其中干扰信号以电磁波的形式通过介质向外传播。辐射耦合有三种常见类型：1）一个天线发射的电磁波被另一根天线意外接收，这称为天线间耦合； 2）空间电磁场通过导线感应耦合，这称为场对线耦合。3）通过在两条相等的导线之间感应高频信号而形成的耦合称为线对线电感耦合。

2。电磁干扰的机理

从对干扰敏感的设备的角度来看，干扰耦合可以分为传导耦合和辐射耦合。

●导电耦合模型

导电耦合根据其原理可分为三种基本耦合模式：电阻耦合，电容耦合和电感耦合。

●辐射耦合模型

辐射耦合是干扰耦合的另一种方式。 除了从干扰源发出的有意辐射外，还存在大量无意辐射。同时，PCB板上的布线，无论是电源线，信号线，时钟线，数据线还是操纵线，都可以起到天线的作用，可以辐射干扰波，还可以起到接收作用。

3。电磁干扰操纵技术

①传输通道抑制

●滤波：设计和选择滤波器时，应注意频率特性，电压电阻，额定电流，阻抗特性，屏蔽和可靠性。滤波器的正确安装对其插入损耗特性有很大影响。 仅当安装位置正确且安装方法正确时，才能发挥预期的过滤干扰效果。安装过滤器时，应考虑安装位置。 输入和输出侧的布线以及高频接地和连接方法都必须进行屏蔽和隔离。

●屏蔽：根据原理，电磁屏蔽可分为电场屏蔽，磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽。 磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。不同类型的电磁屏蔽对屏蔽的要求不同。在实际的屏蔽中，电磁屏蔽的有效性在很大程度上取决于屏蔽的结构，即导电性的连续性。由于制造，组装，维护，散热，观看和接口连接的要求，实际的屏蔽通常具有不同形状和尺寸的孔。 这些孔在屏蔽的屏蔽效果中起重要作用。因此，必须采取措施抑制孔的电磁泄漏。

●接地：有两种接地方式：安全接地和信号接地。同时，接地还会引入接地阻抗和接地环路干扰。接地技术包含选择接地点，电路组合，接地设计以及合理使用接地抑制措施。

●搭接：搭接用于引导车身之间的低阻抗连接。 只有良好的重叠才能使电路完成其设计功能，因此各种干扰抑制措施都可以发挥作用。搭接方法可分为永久搭接和半永久搭接，搭接类型分为直接搭接和间接搭接。

●接线：接线是设计印刷电路板电磁兼容性的关键。 应选择合理的线宽，并采纳正确的接线策略。 例如，加粗接地线并将其封闭成环以减少断线。货架等

②空间分别

空间分隔是抑制空间辐射干扰和电感耦合干扰的有效方法。 通过增加干扰源和接收机的敏感设备之间的空间距离，使到达敏感设备的骚扰电磁场的强度衰减到低于接收设备的敏感度阈值，从而达到抑制干扰的目的。 电磁干扰。根据电磁场理论，近场感应场中的场强衰减1 / r3，远场辐射场的场强分布减小1 / r3。因此，为了满足系统的电磁兼容性要求，应完可能增加组成系统的各种设备之间的空间距离。在设备和系统布线中，限制并行电缆的小间距以减少串扰。在PCB设计中，规定了导向杆之间的小间距。其它，空间分别还包含在空间受限时调节干扰源的辐射方向的方向以及操纵干扰源的电场矢量和磁场矢量的空间方向。

③时间间隔

当骚扰的来源特别强烈且不易使用其他方法可靠地抑制骚扰时，通常使用时间分别方法来使有用信号能够在骚扰信号停止发送的中断或当如果发送了强烈的骚扰信号，则简单受到骚扰的敏感设备将在短时间内关闭以幸免损坏。时间分别操纵有两种形式，一种是主动时间分别，适用于有用信号的出现时间和干扰信号之间存在肯定关系的情况。 另一个是被动时间间隔。 根据干扰信号和有用信号的出现特性，迅速关闭其中一个信号，以满足非重合和非重叠时间的操纵要求。

④频谱治理

频谱规划是将每个频段分配给各种无线电服务，并为特定用户开发频段。国家标准的制定是预防干扰的基础，在某些情况下还可以确保通信系统达到所需的通信性能。这包含无线电设备批准程序，以及批准无线电发射机，接收机和其他设备类型所需的低性能标准。

⑤电气隔离

电气隔离是幸免电路中传导干扰的可靠方法，同时，它还可以正常耦合和传输有用信号。电隔离耦合的常见形式包含机械耦合，电磁耦合和完电耦合。DC / DC转换器是一种广泛使用的电气隔离设备，它将一个DC电压转换为另一个DC电压，以预防多个设备共享电源并造成公共电源内部电阻干扰，请检查每个DC / DC转换器应用单独的电源 电路以确保电路不受电源中信号的干扰。

1。 开关电源引起的干扰原因

开关电源首先将工频AC整流为DC，然后将其逆变为高频，后通过整流滤波电路输出以获得稳定的DC电压，因此它包含许多谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和由输出二极管的反向恢复电流引起的尖峰，会形成潜在的电磁干扰。开关电源的干扰源主要集中在电压和电流变化较大的组件上，并且主要显示在开关管，二极管和高频变压器中。

①开关电路产生的电磁干扰

开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，它主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du / dt具有较大的振幅脉冲，较宽的频带和丰富的谐波。产生这种脉冲干扰的主要原因是，开关负载是高频变压器的初级线圈，并且是感性负载。在开关接通的时刻，初级线圈产生大的浪涌电流，并且在初级线圈的两端出现高的浪涌峰值电压。 在开关管分段的刹那，由于初级线圈的漏磁通，一部分能量没有从初级线圈到次级线圈，存储在电感器中的这部分能量将形成逐渐衰减并随着电容器和电阻在集电极电路中的振荡叠加在截止电压上以形成截止电压尖峰。电源电压的中断将产生和初级线圈断开时相同的励磁涌流瞬变。 这种瞬变是一种传导性电磁干扰，不仅会影响变压器的初级绕组，而且还会将传导的干扰返回给配电系统，从而导致电网谐波。电磁干扰会影响其他设备的安全和经济运行。

②整流电路产生的电磁干扰

在整流器电路中，当输出整流器二极管关闭时会产生反向电流。 回零所需的时间取决于结电容等因素。其中，反向电流迅速恢复为零的二极管可以称为硬恢复特性二极管。 二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下会产生强烈的高频干扰，其频率可以达到数十MHz。当高频整流电路中的整流二极管在正向导通时，大的正向电流流动。 当通过反向偏置电压将其关闭时，更多的载流子将积存在PN结中。在消逝之前的一段时间内，电流将以相反的方向流动，从而使用于载流子消逝的反向恢复电流急剧减小，并且将发生大的电流变化（di / dt）。

③高频变压器

由高频变压器的初级线圈，开关管和滤波电容器组成的高频开关电流回路可能会产生较大的空间辐射，从而形成辐射干扰。如果电容器的滤波容量不足或高频特性不好，则电容器上的高频阻抗将导致高频电流以差模的形式传导到交流电源中，从而 形成导电干扰。应当注意，在二极管整流电路产生的电磁干扰中，整流二极管的反向恢复电流的di / dt远大于续流二极管的反向恢复电流的di / dt。作为电磁干扰源，由整流二极管形成的反向恢复电流具有较大的干扰强度和频率带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变比电源开关打开和关闭时产生的电压跳变小得多。因此，无论整流二极管产生的dv / dt效应如何，整流电路也可以被视为电磁干扰耦合通道的一部分。

④分布电容引起的干扰

开关电源工作在高频状态，因此其分布电容不可忽略。一方面，绝缘片在散热器和开关管的集电器之间的接触面积大，并且绝缘片特别薄，因此两者之间在高频下的分布电容不容忽视。高频电流通过分布式电容器流至散热器，然后流至机箱接地，从而引起共模干扰。 另一方面，在脉冲变压器的初级和次级之间有一个分布式电容器，可以将初级电压直接耦合到次级侧。在上面，共模干扰在两条电源线上产生，并用于次级侧的直流输出。

⑤杂散参数影响耦合通道的特性

在传导干扰频带（<30MHz）中，大多数开关电源干扰的耦合通道都可以通过电路网络来描述。但是，开关电源中的任何实际组件（例如电阻器，电容器，电感器，甚至开关管和二极管）都包含杂散参数，并且研究的频带越宽，等效电路的阶数就越高。因此，包含每个组件的寄生参数以及组件之间的耦合的开关电源的等效电路将更加复杂。在高频下，杂散参数对耦合通道的特性有很大的影响，并且分布电容的存在成为电磁干扰的通道。其它，当开关管的功率较大时，集电器通常需要增加散热器。 在高频下，散热器和开关管之间的分布电容不容忽视。 它将形成面向空间的辐射干扰和电源线传导。共模干扰。

二，开关电源电磁干扰的操纵技术

为了解决开关电源的电磁干扰问题，可以从三个方面入手：1）减少干扰源产生的干扰信号； 2）切断干扰信号的传播路径； 3）增强受害者的抗干扰能力。因此，开关电源电磁干扰的主要操纵技术有：电路措施，EMI滤波，元件选择，印刷电路板的屏蔽和抗干扰设计。

①减少开关电源本身的干扰

●软开关技术：在恒定的硬开关电路中增加电感和电容元件，在开关过程中利用电感和电容的谐振来降低du / dt和di / dt，以使开关设备导通时电压下降在电流之前在上升或关闭期间，电流在电压上升之前下降，以去除电压和电流的重叠。

●开关频率调制技术：通过调制开关频率fc，能量集中在fc及其谐波2fc，3fc上。 将其分配到它们四周的频带以减小每个频率点的EMI幅度。此方法无法减少总干扰量，但是能量分散到了频率点的基带，因此每个频率点都不会超过EMI规定的限制。为了达到降低噪声频谱峰值的目的，通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。

●针对共模干扰的有源抑制技术：尝试从主环路中获得补偿的EMI噪声电压，这将完全反转引起电磁干扰的主开关电压的波形，并使用其来平衡原始开关电压。

●减少电磁干扰的缓冲电路：由线性阻抗稳定网络组成。 它的功能是去除电源线中的潜在干扰，包含电源线干扰，快速的电气瞬变，电涌，电压电平变化和电源线谐波。这些干扰对通用稳压电源影响不大，但会对高频开关电源产生重大影响。

●滤波：EMI滤波器的主要目的之一是在150kHz至30MHz的频率范围内获得较高的插入损耗，但不会衰减50Hz的工频信号，因此可以平稳地通过额定电压和电流。必须满足肯定的尺寸要求。任何电源线上的传导干扰信号都可以用差模和共模信号表示。正常情况下，差模干扰的幅度较小，频率较低，几乎不会产生干扰。 共模干扰具有较大的幅度和高频，并且还会通过导线产生辐射，从而导致较大的干扰。因此，为了减少传导干扰并将EMI信号操纵在相关EMC标准规定的极限水平以下，有效的方法是在开关电源的输入和输出电路中安装电磁干扰滤波器。

●PCB设计：PCB抗干扰设计主要包含PCB布局，布线和接地，其目的是减少PCB的电磁辐射以及PCB上电路之间的串扰。切换电源布局的佳方法类似于其电气设计。确定PCB的大小和形状后，确定特别组件（例如各种发生器，晶体振荡器等）的位置。）。）。后，根据电路的功能单元，布置电路的全部组件。

●元件选择：选择不易产生噪声，难以传导和辐射的元件。应非常注意绕组组件的选择，例如二极管和变压器。具有反向恢复电流小且恢复时间短的快速恢复二极管是用于开关电源高频整流的理想设备。

②切断干扰信号的传播-共模和差模电源线滤波器设计

电源线滤波器可用于过滤电源线干扰。合理有效的开关电源EMI滤波器应对电源线差模和共模干扰具有很强的抑制作用。

③提高敏感电路的抗干扰能力

这主要包含屏蔽和接地。

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