切断干扰传播途径 - 开关电源的EMC技术

　　2. 切断骚扰传播途径

　　滤波技术

　　滤波技术是抑制的一种有效措施，其是在对付开关电源ＥＭＩ信号的传导某些辐射骚扰方面，具有明显的效果，电源线上的骚扰电路以两种形式出现：一种是在火线零线回路中，其骚扰被称为差模骚扰；另一种是在和火线、零线与地和大地的回路中，称为共模骚扰。

　　差模骚扰在两导线之间传输，属于对称性骚扰，共模骚扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性骚扰。通常 20KHZ 以下时，差模骚扰成分占主要成分。1MHZ 以上时，共模骚扰成分占主要成分。在一般情况下，差模骚扰频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导骚扰，把 EMI 信号控制在有关 EMC 标准规定的极限电平以下。

　　除抑制骚扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装 EMI信号，只要选择相应的去耦电路或 EMI 滤波器，就不满足 EMC 标准的滤波效果。减小差模式传达室导骚扰的方法是在电源线上串联差模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成 LC 滤波器进行滤波，滤去共模传达室导噪声。共模扼流圈是将电源线的零线和火线同方向在铁氧体磁芯上构成的，它对线间流动的电源电流阻抗很小，而对两面三刀根线与地之间流过的共模电流阻抗则很大。

　　对开关电源来说，输入电源端是电磁骚扰从交流电源端是电磁骚扰从交流电网传入内部和内部骚扰反向注入电网的主要途径。为此必须在电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率（50HZ、60HZ、400HZ）通过，而对较高频率的骚扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源，所以称为电源滤波器。电源滤波器对差模骚扰和共模骚扰都抑制作用，但由于电路结构不同，对差模骚扰和共模骚扰的抑制效果不一样。所以滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。

　　对交流供电的开关电源来说，如果没有输入电源滤波电路，要通过电磁容测试是很难想象的，典型的交泫电源滤波网络见图 4 所示。共模式扼流圈 LC1 由两个在同一个高磁导率磁芯上的组成，它们的结构使差模电流产生的磁场相互抵消。这种结构可以以较小体积得较大的电感值，通常 1——10MHZ 并且不用担心由于工作电流导至饱和。每个组的电感可以减相对与地的共模干扰电流，但只有漏电感才能衰减差模干扰电流。因此，滤波器差模特性在很大程度上受线索圈的结构的影响，因为线圈电感能够提供较大的差模衰减，但付出的代价是磁芯的饱和电流降低。

　　共模电容器 CY1 和 CY2 衰减共模干扰，当 CX3 很大时，这两个电容器对差模没有太大的影响。CY 电容器的有效性在很大程度上由设备的共模源阻抗决定。共模源阻抗一般是耦合到地的寄生电容的数，它由电路的结构方式和电源变压器初级——次级电容等决定，一般会超过 1000PF。由 CY 的分流作用提供的共模减一般不会超过 15——20dB。共模扼流圈组合（如图 4 中的 Lc2、Cx2）。

　　差模电容器 CX1 和 CX2（3）只衰减差模干扰电流，它们的电容值可以较大，通常为 0.1—0.47UF。注意源和负载的阻抗可能很低，以致于电容器起不到作用，

　　因此根据具体情况，可以省略一只电容器。例如，一只 0.1UF10ohm，而对于一个数百的电源，从 CX3 的电容值几乎没有效果，这时 CX3 右取消。

　　在许多场合，典型结构的滤波器不能提供满意的衰减效果。例如，必须满足最严格发射限制的大功率开关电源，或有较大的共模干扰耦合的场合，或需要较高的输入瞬态抗抗度的场合。基本滤波器可以通过一些途径来扩展。附加的差模扼流圈 Ld1、Ld2，这是在 L 和 N 线上立的线圈，它们互相没有影响，因此对差模信号呈现更高的阴阻抗，它们与 CX 配合在一起提供更大的衰减。由于它们要保证在满额工作电流的情况下发生饱和，困此对于一定的电感量，它们更重，体积更大。

　　地线扼流圈：这增加了安全地上共模电流的阻抗当 CY 不能更大，而对电源的干扰又没有其它措施时，这是唯一的一种减小输入、输出共模干扰的措施。因为它的危险电流承受能力必须满足安全标准的要求。使用时要确认没有其它联到设备机箱上的导线将其短路。

　　瞬态抑制器：象压敏电阻这样一些器件跨接在 L 和 N 线之间能够削减输入的差模浪涌。如果它安装在靠近电源的一端，则它必须能够承受期的最大瞬态能量，安装在这里能够保护电感不至于饱和和保护 CX 电容器。如果安装在设备一端，则其额定值可以大大降低，因为它已经受到了滤波器阻抗的保护。这里的压敏电阻共模浪涌没有抑制作用。

　　大容量的 CX 应用一只泄放电阻 R 来保护，防止电源断开时 L 和 N 线之间保持的充电电荷造成人身伤害。在开关电源的直流输出端加入图 5 所示的直流输出滤波网络。它由共模扼流圈 Lc1、差模扼流圈 Ld1 和差模电容 CX1、CX2 组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用差模扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒流磁芯。

　　减小分布电容的耦合

　　为了防止开关管集电极和开关管散热片之间的耦合电容 Ci 将开关管集电极上的脉冲骚扰耦合到机壳和保护地 PE 上形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导共模骚扰。我们应该减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容 Ci 选用低介电常数的材料作绝缘垫，加厚垫片的厚度，并采用静电屏的方法：一般开关管的外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，既绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏层，接在输入直流 0V 地（热地）上，散热片仍在机壳地上，这样就大大减少集电极与散热片之间的电场耦合。

　　对脉冲变压器的初级与次级之间的耦合电容 Cd，也可以用同样的方式通过加静电屏层并就近在开关管的为射极接直流输入的 0V 地（热地）。该方式只能少cd 的耦合，仍然会有部分骚扰冲变压器的初级耦合到次级形成共模骚扰，这时可通过在直流输入的 0V 地（热地）端的共模骚扰一个回路，重新回到直流输入的 0V 地，从而减小通过 cd 耦合的共模骚扰。在选择该电容时为保证通过安全测试所的耐压，一般由两个 Y 电容串联使用。

　　3.屏蔽技术

　　抑制开关电源辐射骚扰的有效方法是屏蔽技术。对电场屏用导电良好的材料 。为了防止冲变压器的磁场 泄露，可利用闭环形成磁屏，对整个开关电源要进行电场屏。在屏的应考虑散热和通风问题，屏外壳上的通风孔最好为多孔圆形，在满足我的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小，接缝处最好焊接，以保证电磁的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺丝间距要短，屏外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则这些线都会成为良好的骚扰发射天线，严重降低屏处壳的屏效果，对无法进行完全屏的开关电源，至少在其关键部位要有局部屏。电场屏如果屏外壳不接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳进行电场屏非常重要，否则很难通过辐射骚扰测试。对嵌入式的内置开关电源是否采用外壳屏则视其系统的屏效能及系统中其他部分对电源骚扰的敏感程度而定。

　　4. 电路布线

　　元件及电路的选择对于控制 EMI 至关重要，但电路板的布局和互连也具有同等重要的影响。尤其是对于高密度、采用多层电路板的开关电源，元件的布局和走线上产生很大 dv/dt 和 di/dt 的信号，它可以耦合到其它连线上造成兼容问题。

　　不过，只要在关键回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性部题以及花费很大代价去对线路板进行修改。对于 一个系统来讲，辐射型和传导型电磁干扰相容易区分，但具体到某块电路板或某导线。问题就变得复杂了。相邻连线之间会有电场的耦合，同时也会通过分布电容传导电流、同样地，连线之间也会象变压器一样。