高頻開關電源設計中的電磁兼容性問題研究

3.2 輻射EMI的抑制措施

要降低輻射干擾，可應用電壓緩沖電路，如在開關管兩端并聯RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關管的集電極上串聯20～80μH的電感。

功率開關管的集電極是一個強騷擾源，開關管的散熱片應接到集電極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼之間的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的散熱片。整流二極管應采用恢復電荷小，且反向恢復時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的。另外，在肖特基管兩端套磁珠和并聯RC吸收網絡均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數千pF，電容引線應盡可能短，以減少引線電感。

負載電流越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個二極管并聯來分擔，可以降低短路尖峰電流的影響。

開關電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結構，一般用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內。

例如,對輻射干擾超過標準限值20dB的某開關電源，采用了如下一些在實驗室容易實現的措施進行了改進：

1）在所有整流二極管兩端并聯470pF電容；

2）在開關管G極的輸入端并聯50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

3）在各輸出濾波電容(電解電容)上并聯0.01μF電容；

4）在整流二極管管腳上套一小磁珠；

5）改善屏蔽體的接地。

經過上述改進后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

3.3 傳導騷擾的解決方法

開關電源的傳導騷擾通過輸入電源線向外傳播，既有差模騷擾、又有共模騷擾。傳導騷擾的測試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如表1所列。

表1 傳導騷擾限值表

在0.15～1MHz的頻率范圍內，騷擾主要以共模的形式存在，在1～10MHz的頻率范圍內，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz以上，騷擾的形式主要以共膜為主。差模騷擾的產生主要是由于開關管工作在開關狀態，當開關管開通時，流過電源線的電流線性上升，開關管關斷時電流突變為零，因此，流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，輸出回路的濾波電路如圖8所示，電容C5與電感L3組成低通濾波器，差模傳導騷擾主要存在低頻率段。

圖8 輸出回路的濾波電路

產生共模騷擾的主要原因是電源與大地（保護地）之間存在分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構成回路，產生共模騷擾。如圖8所示，L、N為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2組成輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，VT2為開關管，開關管安裝在散熱器上時，開關管的D極與散熱器相連，與散熱器之間形成一個耦合電容，如圖8中的C7所示，VT2工作在開關狀態，其D極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開關管的開關頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N電源線構成回路，產生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從圖8來看，VT2的D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，從DB1到電感L3之間的電壓為100Hz，而從L3到VD1和VT2的D極之間的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次L3的影響也比較大，但L3與機殼的距離比較遠，分布電容比開關管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容。

3.4 接地技術的應用

“接地”有設備內部的信號接地和設備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面”。

3.4.1 設備的信號接地

設備的信號接地，可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點接地和多點接地。

1）浮地采用浮地的目的是將電路或設備與公共接地系統，或可能引起環流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現電路或設備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優點是抗干擾性能好。浮地的缺點是由于不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環性很強的騷擾源。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的阻抗會影響設備泄漏電流的合格性。

2）混合接地混合接地使接地系統在低頻和高頻時呈現不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環路形成。當將直流地和射頻地分開時，將每個子系統的直流地通過10～100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應在一點有低阻抗連接起來，連接點應選在最高翻轉速度di/dt信號存在的點。

3.4.2 設備接大地

在工程實踐中，除認真考慮設備內部的信號接地外，通常還將設備的信號地，機殼與大地連在一起，以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的是：

1）保證設備操作人員人身的安全；

2）泄放機箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機箱電位升高，造成電路工作的不穩定；

3）避免設備在外界電磁環境的作用下使設備對大地的電位發生變化，造成設備工作的不穩定。

由此可見，設備接大地除了是對人員安全、設備安全的考慮外，也是抑制騷擾發生的重要手段。