第一篇：開關電源高頻電磁波干擾概論

《開關電源高頻電磁波干擾概論》解析

（一）雖然關于EMI的書和資料非常多，但基本都是針對設備級的，針對開關電源的很少，有個別書和資料雖然寫著開關電源的名字，但由于作者并非電源設計人員，所以就變成了標準匯編。針對開關電源的目前就是這個《開關電源高頻電磁波干擾概論》，非常經(jīng)典，是香港大學的兩位教授寫的。但我也沒有聽過作者講解，所以只能憑自己的理解和大家討論。

第一節(jié)

這個是說EMI的傳播過程，干擾源－干擾途徑－接收器，就向傳染?。簜魅驹矗瓊魅就緩剑赘腥巳骸?/p>

對于開關電源來說，最后一部分是不需要考慮的，干擾源也不能消滅，因為它也是開關電源之所以能工作的源頭，但是可以通過軟開關、加緩沖等方式來使干擾源的干擾小一些?？刂聘蓴_途徑是降低開關電源EMI的重要一環(huán)，也是本講義的重點講解之處。

信號源波形產(chǎn)生的頻譜

電壓波形產(chǎn)生的頻譜

周期信號的頻譜是沒有偶次諧波的，正負對稱的波形產(chǎn)生的頻率分量更少，像橋式電路。高數(shù)都忘光了，有興趣的做一下FFT.占空比和波形斜率的影響 占空比越大時，干擾的幅度也大一些，這個可由FFT的系數(shù)算出來。

波形的斜率對干擾的高頻部分影響非常大。低頻部分幾乎沒有影響。低頻部分主要由波形的幅度和高電平部分的寬度決定的，但高頻部分大幅度下降的轉折點為1/(3.14*tr),所以tr越大時，轉折點的頻率越低，高頻下降越大。

所以我們應該想到降低斜率的措施，緩沖電路。

第一節(jié)小結：

電壓和電流波形都有很豐富的頻率成分 超過200M時由于幅值已經(jīng)很低，所以影響很小 波形影響低頻部分

上升沿和下降沿影響高頻部分 占空比對個頻譜幅值有一點影響

第2節(jié)：

下以部分13-42頁，介紹的內(nèi)容比較雜，有傳導和輻射的場地、設備的放置，Log的概念等。

重點說一下這個圖，這個介紹的是干擾的耦合途徑，左邊為傳導干擾，右邊為輻射干擾。輻射分為遠場和近場。一般用蝶型天線輻射測量只測量電場，而不是磁場，磁場是用大圓環(huán)來測量的，燈具常用。

電場除了直接輻射到天線外，還可能輻射到地面再反射到天線，天線接受到的是直射波和反射波的矢量合成，所以需要上下移動尋找最大合成量。除此以外，由于電磁波有極化，所以天線需要改變方向以檢測最大值（一般只測試水平和垂直）。

LISN網(wǎng)絡。

LISN網(wǎng)絡是用來拾取噪音的。差模噪音會在Line1--Line2之間流動，經(jīng)過50歐姆電阻拾取。共模電流經(jīng)過下面的地線再通過50歐姆的電阻回到電源，共模噪音也是經(jīng)過50歐姆電阻拾取。50uH電感和10uF電容是用來阻止電網(wǎng)的干擾進入被測電源和防止被測的噪音跑到外面去。0.25uF的電容保證只有交流噪音信號可以流過去。在150KHz頻率以上時其阻抗很小，近似短路。

線對線（差模）和線對地（共模）的噪音檢測。

都是通過測量50歐姆電阻的電壓信號來檢測的，但儀器并不會區(qū)分差模和共模，實際為兩個信號的矢量疊加（個人意見，儀器里面我不清楚）。

兩種輻射測試：

場強輻射測試，通過組合天線來測量輻射的電場強度，蝶型天線（兩個耳朵）測量30-300MHz，對數(shù)天線測量300-1GHz，對開關電源來說，主要是耳朵測量，300MHz以后一般電源輻射很小。

功率輻射測試（吸收鉗），這個一般帶長引線的設備需要做這個試驗，如DVD等。

有效檢測部分只有前面的一個環(huán)，后面是做吸收用的，范圍30-300MHz。共模電流通過高頻變壓器后送到檢測設備。

電流波形產(chǎn)生的頻譜

第三節(jié)

下面幾頁說的是峰值、準峰值和平均值在儀器內(nèi)部的測試方法，不是我們關心的重點。

從上面可以看出（看原文），3中檢測主要是包絡檢波的沖放電時間常數(shù)不一樣。標準要求測試的是QP和AV。但由于掃描時間過長，一般摸底是用PK和QP測量。

第四節(jié)

下面的內(nèi)容主要是講述容性和感性耦合的機理。首先開始的是容性耦合！

這個圖告訴我們，在電源里面兩個分離的物體是有電容效應的，當有交流信號時，就會有電流流過。

在電源里面相對并有電壓變化的物體是很多的，如漏極和次級；漏極和初級的L，N線等，它們都會引起電流流動，被LISN檢測到就是EMI干擾。仿真的結果和實際是基本上相符的。

看不見的耦合－感性耦合，第一個圖描述了兩個電路，前面是個振蕩電路，后面就是上面容性耦合的電路，看似兩個電路不相干，但是由于距離比較近，兩個電路會通過磁場耦合，就向一個變壓器一樣，互感的公式如第二個圖所示，隨兩個電路的距離增大而減小，隨振蕩電路面積（r為代表）的增大而增大。

第一幅圖把上面的計算電感等效的變壓器帶入電路里面，第二幅圖是測量和模擬的結果，可以看到互感的模型是很正確的，感性耦合確實向變壓器一樣。這樣的耦合在開關電源里面比比皆是，向反激里面的高壓電容、變壓器初級和開關管組成的環(huán)路，變壓器初級嵌位電路形成的環(huán)路，次級整流管形成的環(huán)路。除了常見的這3個外其實還有很多，如初級、次級和Y電容組成的環(huán)路，變壓器初級、初級和屏蔽層的電容及屏蔽層的電感組成的環(huán)路等。

容性耦合的一個例子：

這個例子是說漏極和輸入的接線端有一個耦合，盡管電容很小(0.1pF)，但由于漏極電壓高，差模干擾還是會超過標準。

這個很容易理解。不再贅述。

容性耦合的另一個例子：

此處的例子是指漏極和地的電容，漏極雖然很小，但地很大，雖然傳導并不要求屏蔽室，在實際的EMI測試中還是在一個屏蔽的屋子里面，這實際上加大了圖中的Cs。同樣由于電壓高，假設Cs很小，實際測試的干擾（實際為共模）也會超標。

根據(jù)以上的分析得出減少容性耦合的一個方法，就是減小高壓點的面積，從而減小電容。

中間的圖由于高壓部分的面積大而被認為Wrong。其實最右邊的圖也不是很好，最好往左邊靠。

此處介紹的PCB的布線規(guī)則。線的面積盡量小，當然要滿足電流的要求，平衡走線，這樣兩線對高壓點的電容是平衡的，容性干擾會對消。輸入部分盡量遠離MOS的漏極。漏極的面積盡量小。

感性耦合的例子：

這個例子描述的噪音源的一端和輸入的差模濾波的回路有一個耦合，盡管耦合電感很小，但由于噪音源電流大，并且差模濾波回路阻抗很小，所以干擾還是可能超標。

自感影響的例子，由于X電容本省有自感存在，當它濾除差模電流時本省的自感也產(chǎn)生干擾電壓，引起差模電流流動，這就是非理想器件造成干擾的原因。

PCB布線規(guī)則，減小感性耦合，方法根容性耦合差不多，好的布線對兩個方法都有用。好的布線：環(huán)路面積小，環(huán)路之間距離要遠，節(jié)點端為容性端。

開關紋波電流的影響，開關電流會在其左邊的電路部分的輸入阻抗上形成電壓，當然會有電流流過LISN的檢測電阻，從而被測到EMI電流，由于是在兩根線間流動的，所以是差模電流。這種電路的計算是很復雜的，還好有仿真電路，仿真一下很簡單。不過我認為在實際應用中，仿真都不必做，我們只要理解其原理，知道怎么克服就可以了。

典型EMI差模濾波電路的參數(shù)和結果：右邊藍色的線為模擬的噪音結果，可以看到初始值很高。

理想C1沒有ESR,ESL，從右邊看到藍色的線非常低，說明C1的ESR,ESL是主要產(chǎn)生干擾的源頭，20多DB的起始值是電流在2pifc 上形成的電壓造成的。

C2由于值很小，對低頻段EMI的影響幾乎可以忽略。

后面還有幾個圖，為節(jié)約時間和空間不上傳，從圖上可以得到的信息是由于C1的阻抗比起C2和L來說很低，所以干擾的源頭就是開關電流在C1的ESL和ESR上形成的電壓。后面不同的圖只是為了證明這一點。

這一部分的總結：真實電路和理想電路是不同的，各種元件都有其等效的其他參數(shù)。大電解的ESR貢獻了差模噪音的低頻部分，ESL貢獻了差模噪音的高頻部分。結果很明顯，高頻電解的ESR,ESL比較低，有利于降低差模噪音！

如果一級濾波結果不好，自然想到兩階段濾波。

在實際的設計中，并不需要單獨增加一個電感，可以利用共模(功率大的電源一般都要用）的漏感來做差模電感，這樣只需要增加一個X電容就可以了。

不同的共模漏感是不一樣的，如果用ET型的磁心，4槽骨架的比2槽的要大，漏感可以通過短路一組引線來測量。

第一個圖是兩階段差模濾波考慮元件寄生參數(shù)的真實等效電路，第二個圖是模擬的結果?？梢钥吹絻呻A段濾波對干擾的衰減更厲害。原因是兩階段時干擾信號經(jīng)過了兩級LC，是80dB/10倍頻程的衰減。

單獨把這一頁列出來，因為它告訴了我們一個很重要的技巧。

當把開關電源的頻率設定到150KHz時，在150K的衰減時8dB；但是如果把開關頻率設定到130K，則開關頻率的干擾不需要測量，需要關注的是開關頻率的二倍頻，即260K，此時的衰減是很大的，從圖上看到有30dB的裕量。

輸入整流管的影響

整流管導通時，差模電流幾乎無阻擋通過，整流管不導通時，按圖上沒有差模電流，但實際上整流管有電容存在，還是有一點點電流的，不過影響很小，可以忽略。

根據(jù)這個圖我們也不難理解，在測量EMI時，低壓時的EMI通常比高壓時在低頻段（差模為主）大一些。因為低壓時整流管的導通時間長，當然導通時間長的原因是低壓時的電流大。電流大也是造成EMI大的重要原因，這兩者的共同作用造成了低壓時的EMI大。

全導通和非全導通時的EMI差異。全導通是通過用直流電源給LISN供電來模擬的。從上面的描述可以看到，峰值和準峰值是沒有變化的（由開關電流的峰值決定，兩種情況此電流峰值沒有變化），但平均值明顯用整流橋的要低很多。

一個描述前半周，一個描述后半周。這個非常容易理解。

輸入濾波對電源穩(wěn)定性的影響

根據(jù)Middlebrook的額外元素理論，只要輸入濾波的輸出阻抗遠小于電源的輸入阻抗便不會有穩(wěn)定性問題。輸出阻抗遠小于電源的輸入阻抗的表現(xiàn)就是上述電路Pin部分 分得到最大化的Vin電壓，根據(jù)這個要求列出上述方程，只要一階部分的系數(shù)>1，就可以得到左半平面極點，就不會有穩(wěn)定性問題。有一階部分的系數(shù)>1的調(diào)節(jié)得到上述紅色公式。

帶一個實際的電源參數(shù)進去，發(fā)現(xiàn)RL3實際上要>10歐姆電路才能穩(wěn)定，但實際的電感的內(nèi)阻是很小的，由此得出結果幾乎每一個電源都會振蕩。但實際上并不是這樣，說明理論有不對的地方。

這個是為了和后面做對應的，不作解釋?？春竺婢涂梢粤?。

電感的頻率特性，我們會看到在頻率升高時磁心的損耗會反應為一個很大的電阻，正是它阻尼了振蕩，當然趨附和臨近效應反應的電阻和直流電阻也有影響，但不是主要因素。

補充一下，在實際的電源中C1都很大，很大的C1實際上降低了對RL3的要求，只要很小的RL3就可以了，實際不用考慮RL3,電容的ESR起到了RL3的作用。

當頻率高時，用鐵分心做電感時，由于損耗嚴重可能引起融化，這有點玄，但漆包線絕緣是有可能壞掉的。用鐵氧體時由于損耗小，就沒有這個問題。所以不要忘了ac電阻代表的磁心損耗，它可以阻尼電源的振蕩。

由上面的分析我們就知道了為什么輸入濾波通常不會引起電源振蕩。

主要是第一點和第三點。濾波電感的磁心損耗提供了額外電阻；C1通常比較大。

補上忘掉的一部分：

普通的整流濾波只有在電壓峰值時二極管才導通，此時二極管是完全導通的，所以差模和共模電流很容易通過整流管而被LISN檢測到，而其他時間二極管不導通，差模電流是不能通過的，共模電流通過能力

也減弱，只有高頻的部分才容易通過二極管的節(jié)電容通過。

由于二極管不導通時幾乎沒有干擾電流流過，所以用交流電源供電時測量到的平均值會比直流電源供電時低，因為直流供電時二極管是每時每刻導通的，干擾電流可以全通過。

由以前的帖子里描述的測量EMI的原理可知，峰值和準峰值是沒有變化的。因為它們測的是瞬間(PK)和極短時間的平均值(QP)。

輸入濾波電感同樣也是一個噪音接收源：

電感的環(huán)路接受外部磁通（可能來自于你的變壓器）會產(chǎn)生噪音電流。

同樣電感的繞組是銅線做的，可以和電路里面的高壓部分產(chǎn)生容性耦合，從而產(chǎn)生噪音電壓。

這個是對上面所有部分的總結，就不再重復了。

第二篇：開關電源電磁干擾抑制技術

開關電源電磁干擾抑制技術

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術和功率器件的發(fā)展，開關電源以其體積小，重量輕，高性能，高可靠性等特點被廣泛應用于計算機及外圍設備通信、自動控制、家用電器等領域，為人們的生產(chǎn)生活和社會的建設提供了很大幫助。但是，隨著現(xiàn)代電子技術的快速發(fā)展，電子電氣設備的廣泛應用，處于同一工作環(huán)境的各種電子、電氣設備的距離越來越近，電子電路工作的外部環(huán)境進一步惡化。由于開關電源工作在高頻開關狀態(tài)，內(nèi)部會產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率，導致開關電源產(chǎn)生較強的電磁干擾。電磁干擾信號不僅對電網(wǎng)造成污染，還直接影響到其他用電設備甚至電源本身的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，造成電磁污染，制約著人們的生產(chǎn)和生活。國內(nèi)在20世紀80一90年代，為了加強對當前國內(nèi)電磁污染的治理，制定了一些與CISPR標準、IEC801等國際標準相對應的標準。自從2003年8月1日中國強制實施3C認證(china compulsory certification)工作以來，掀起了“電磁兼容熱”，近距離的電磁干擾研究與控制愈來愈引起電子研究人員們的關注，當前已成為當前研究領域的一個新熱點。本文將針對開關電源電磁干擾的產(chǎn)生機理系統(tǒng)地論述相關的抑制技術。

l 開關電源電磁干擾的抑制 形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾應從這三方面人手。抑制干擾源、消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射、提高受擾設備的抗擾能力，從而改善開關電源的電磁兼容性能的目的。1．1 采用濾波器抑制電磁干擾 濾波是抑制電磁干擾的重要方法，它能有效地抑制電網(wǎng)中的電磁干擾進入設備，還可以抑制設備內(nèi)的電磁干擾進入電網(wǎng)。在開關電源輸入和輸出電路中安裝開關電源濾波器，不但可以解決傳導干擾問題，同時也是解決輻射干擾的重要武器。濾波抑制技術分為無源濾波和有源濾波2種方式。

1．1．1 無源濾波技術 無源濾波電路簡單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導發(fā)射。開關電源中應用的無源濾波器的原理結構圖如圖1所示。

由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會產(chǎn)生脈沖尖峰電流，這個電流由非常多的高次諧波電流組成，對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾；另外電路中開關管的導通或截止、變壓器的初級線圈都會產(chǎn)生脈動電流。由于電流變化率很高，對周圍電路會產(chǎn)生出不同頻率的感應電流，其中包括差模和共模干擾信號，這些干擾信號可以通過2根電源線傳導到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設備。圖中差模濾波部分可以減少開關電源內(nèi)部的差模干擾信號，又能大大衰減設備本身工作時產(chǎn)生的電磁干擾信號傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應定律，得E=Ldi／dt，其中：E為L兩端的電壓降；L為電感量；di／dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。脈沖電流回路通過電磁感應其他電路與大地或機殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號為共模信號；開關電源電路中開關管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強的電場，電路會產(chǎn)生位移電流，而這個位移電流也屬于共模干擾信號。圖1中共模濾波器就是用來抑制共模干擾，使之受到衰減。1．1．2 有源濾波技術

有源濾波技術是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施(如圖2所示)，其基本思想是設法從主回路中取出一個與電磁干擾信號大小相等、相位相反的補償信號去平衡原來的干擾信號，以達到降低干擾水平的目的。如圖2所示，利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波。R1，C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外，在設計和選用濾波器時應注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當，安裝方法要正確，才能對干擾起到預期的濾波作用。1．2 屏蔽技術和接地技術 采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽技術分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使電磁波產(chǎn)生衰減。此外，為了抑制開關電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對其他電子設備的影響，應采取整體屏蔽。可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時應充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入／輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結構成本大幅度增加等因素。為使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強屏蔽效果，同時保障人身和設備的安全，應將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術。接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路設計。這一過程是至關重要的，將接地和屏蔽正確結合起來可以更好地解決電磁干擾問題，又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。1．3 PCB設計技術 為更好地抑制開關電源的電磁干擾，其印制電路板(PCB)的抗干擾技術尤為重要。為減少PCB的電磁輻射和PCB上電路間的串擾，要非常注意PCB布局、布線和接地。如減少輻射干擾是減小通路面積，減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，采用靜電屏蔽。而抑制電場與磁場的耦合，應盡量增大線間距離。在開關電源中接地是抑制干擾的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3種基本類型。地線設計應注意以下幾點：交流電源地與直流電源地分開；功率地與弱電地分開；模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開；盡量加粗地線。1．4 擴頻調(diào)制技術 對于一個周期信號尤其是方波來說，其能量主要分布在基頻信號和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級數(shù)降低。由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍，通過擴頻技術將諧波能量分布在一個更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強度也應該相應降低。要在開關電源中采用擴頻時鐘信號，需要對該電源開關脈沖控制電路輸出的脈沖信號進行調(diào)制，形成擴頻時鐘(如圖3所示)。與傳統(tǒng)的方法相比，采用擴頻技術優(yōu)化開關電源EMI既高效又可靠，無需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理，也不會對電源的效率帶來任何負面影響。

1．5 一次整流電路中加功率因數(shù)校正(PFC)網(wǎng)絡 對于直流穩(wěn)壓電源，電網(wǎng)電壓通過變壓器降壓后直接通過整流電路進行整流，所以整流過程中產(chǎn)生的諧波分量作為干擾直接影響交流電網(wǎng)的波形，使波形畸變，功率因數(shù)偏低。為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，將功率因數(shù)校正(PFC)技術應用于開關電源中是非常必要的。PFC技術使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波，從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，提高了開關電源的功率因數(shù)。其中無源功率因數(shù)校正電路是利用電感和電容等元件組成濾波器，將輸入電流波形進行移相和整形過程來實現(xiàn)提高功率因數(shù)的。而有源功率因數(shù)校正電路是依據(jù)控制電路強迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形的原理來實現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。兩種方法均使功率因數(shù)提高，后者效果更加明顯，但電路復雜。結語 本文的設計方法正確，仿真結果正常，克服了傳統(tǒng)方案中所存在的一些問題，使電磁干擾的抑制技術得到進一步優(yōu)化。從開關電源電磁干擾產(chǎn)生的機理來看，有多種方式可抑制電磁干擾，除本文中分析的幾種主要方法外，還可以采用光電隔離器、LSA系列浪涌吸收器、軟開關技術等。抑制開關電源的電磁干擾，目的是使其能在各領域得到有效應用的同時，盡量減少電磁污染，實現(xiàn)了對電磁污染問題的有效治理。而在實際設計時，應全面考慮開關電源的各種電磁干擾，選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用，使電磁干擾降到最低，從而提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

第三篇：解析幾種有效開關電源電磁干擾抑制

解析幾種有效開關電源電磁干擾抑制

前關于開關電源EMI（Electromagnetic Interference）的研究，有些從EMI產(chǎn)生的機理出發(fā)，有些 從EMI 產(chǎn)生的影響出發(fā)，都提出了許多實用有價值的方案。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關 電源EMI 的抑制措施提出新的參考建議。

◆ 開關電源電磁干擾的產(chǎn)生機理

開關電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可 分為傳導干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：

1、二極管的反向恢復時間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時, 由于PN結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。

2、開關管工作時產(chǎn)生的諧波干擾

功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在 阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時,這種諧 波干擾將會很小。另外,功率開關管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產(chǎn)生 尖峰干擾。

3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱 之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產(chǎn)生電場和磁場。這 種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

4、其他原因

元器件的寄生參數(shù)，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布 置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

◆ 開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度。

◆ EMI測試技術

目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡、噪聲分離網(wǎng)絡。用射頻電流探頭是測量差模 共模干擾最簡單的方法，但測量結果與標準限值比較要經(jīng)過較復雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡結構比較簡單，測量結果可直接與標準限值比較，但只能測量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡是最理想的方法，但其關鍵部件變壓器的制造要求很高。

◆ 目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而,抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上 都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如,功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開關電源的底板是交流電源的地線,因而通過 器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關電源產(chǎn)生的輻射,電磁干擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可

以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應,所以仍以接地為好,這樣 使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.在電路系統(tǒng)設計中應遵循“一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當磁力線穿過該回路時將產(chǎn)生磁感應噪聲,實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅 值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。EMI濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施,可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導干擾。一種由電容、電感組成的EMI濾波器,接在開關電源的輸入端。電路中,C1、C5是高頻旁路電容,用于濾除兩輸入電源線間的差模干擾;L1與C2、C4;L2與C3、C4組成共模干擾濾波環(huán)節(jié),用于濾除電源線與地之間非對稱的共模干擾;L3、L4的初次級匝數(shù)相等、極性相反,交流電流在磁芯中產(chǎn)生的磁通相反,因而可有效地抑制共模干擾。測試表明,只要適當選擇元器件的參數(shù),便可較好地抑制開關電源產(chǎn)生的傳導干擾。

◆ 目前開關電源EMI抑制措施的不足之處 現(xiàn)有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑出發(fā)，這確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源,消除干擾，或提高受擾設備的抗擾能力，殊不知后者還有許多發(fā)展的空間。

◆ 改進措施的建議

我認為目前從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來抑制干擾，已漸進成熟。我們的視點要回到開關電源器件本身來。從多年的工作實踐來看，在電路方面要注意以下幾點：

(1)印制板布局時,要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開,電源和地線單獨引出,電源供給處匯集到一點;ＰＣＢ布線時,高頻數(shù)字信號線要用短線,主要信號線最好集中在ＰＣＢ板中心,同時電 源線盡可能遠離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次，可以根據(jù)耦合系數(shù)來布線，盡量減少干擾耦合。

(2)印制板的電源線和地線印制條盡可能寬,以減小線阻抗,從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

(3)器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度,以減小元件分布電感的影響。

(4)在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容,以縮短開關電流的流通途徑,如用10μＦ鋁電解和0 1μＦ電容并聯(lián)接在電源腳上。對于高速數(shù)字ＩＣ的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容,因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。產(chǎn)生開關電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲 才會使開關電源得到更廣泛的應用。

第四篇：開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析（開關電源的電磁干擾問題主要立括傳導發(fā)射(conducted emission)干擾和輻射發(fā)時(radiated emission)干擾，電磁兼容中所謂的發(fā)射，是指“從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象”，與一般通信領域中人為的向外發(fā)射電磁波不同，開關電源中的發(fā)射常常是無意的，如果不加以控制，就會對周圍的電子設備產(chǎn)生嚴重的干擾。隨著開關電源的小型化、高頻和高功率設計，閉合印制線回路引起的輻射干擾(差模干擾)己成為開關電源的主要輻射干擾源之一，研究閉合印制線回路的輻射規(guī)律對減小開關電源的輻射干擾有著重要的意義。

2、建立差模電流的輻射模型：

開關電源利用半導體器件的開和關工作，并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低，由于其通常工作在20KHz以上的開關頻率工作，開關電源內(nèi)的dv／dt、di／dt很大，產(chǎn)生嚴重的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。圖1是典型的開關電源的簡圖和產(chǎn)生噪聲的回路，含有大量高次諧波的噪聲通過閉臺回路向空間輻射電磁能量，即差模電流的輻對干擾。通常的閉合環(huán)形回路的形狀都是不規(guī)則的，這里我們只討論一般的模型，如圖2所示。

這是一種帶有接地平面的正方形的閉合印制線環(huán)路，在回路的兩端分別接有電壓源和阻抗相等的源內(nèi)阻、負載，當電壓信號的頻率較高時，這種結構與方環(huán)形天線是非常相似的，成為一種嚴重的輻射源。

3、數(shù)值模擬：

對于建立好的模型．可以通過電磁場的數(shù)值模擬軟件來對其輻射特性進行分析。在這里我們使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來進行模擬。首先來研究這種閉合印制線回路的面積發(fā)生變化時其輻射特性如何發(fā)生變化。當差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時，在距離輻射回路為的遠場的電場強度為E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）為回路中電流信號的頻率，S(m2)為回路面積，1(A)為電流強度，θ（0）為測量天線與輻射平面的夾角。我們根據(jù)圖1所示的結構，取正方形閉合回路的邊長分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進行模擬，信號頻率為500MHz。圖3(a)和圖4分別為模擬得到的差模電流輻射的遠場三維方向圖(由于閉合回路的邊長變化時其遠場方向圖是非常相似的，此處只給出邊長為5cm時的方向圖）和S-E曲線，從中可以很明顯出由于印制線路板接地平面的存在使得差模輻射功率主要集中在接地平面上方，同時，遠區(qū)輻射場的電場強度與回路面積呈線性變化關系(本文中的電場強度均指在閉合印制線回路最大輻射方向上的電場強度)，這與式(1)是完全符合的。

4、結果分析：

閉合印制線回路的面積越大，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾就越嚴重。但是同樣面積的閉合印制線回路，如果回路形狀發(fā)生變化，不再是正方形結構，其產(chǎn)生的輻射干擾效果一樣會隨著變化，甚至產(chǎn)生相當大的差異。圖5顯示了當閉合印制線回路的面積保持25cm2不變時，矩形印制線回路源與終端所在的邊分別為2cm、3cm、4cm和5cm時差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾效果，且在頻率為500MHz、1GHz和1．5GHz時分別進行考慮。顯然，頻率增高，相同結構的閉合印制線回路產(chǎn)生的輻射干擾跟著增強，并且隨著頻率增高差模電流的輻射能量逐漸向印制線路板的正面“轉移”，如圖3所示，這是因為頻率的增高使得接地平面相對于差模電流信號的電尺寸變大，從而對閉合印制線回路的輻射場產(chǎn)生更大的反射效果。更為重要的是，隨著閉合印制線回路由正方形逐漸變化為越來越狹長的矩形，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾顯著減小。也就是說，即使閉合印制線回路的面積相同。適當?shù)馗淖兤湫螤?，使之越來越狹長，同樣可以減小相同強度的差模電流的輻射干擾。

閉合印制線回路上流過的差模電流產(chǎn)生的輻射干擾在各個極化方向上的分布是不同的。圖6是矩形印制線回路的源和終端所在的邊為3(回路面積為25)時頻率為1．5GHz差模電流的輻射干擾在X、Y、Z方向上的極化分量的三維方向圖，從圖中可以看到，X和Z方向上的極化分量主要集中于印制板正面的X軸的兩側，而Y方向上的極化分量主要集中于印制板的正上方區(qū)域，并且沿Y方向的極化分量最大，分別為X、Y方向極化分量的兩倍左右，對于源和終端所在邊為2cm、4cm和5cm時的閉合回路也是如此。

根據(jù)印制線路板上差模電流的輻射特性，開關電源設計人員在進行印制線路板和機箱內(nèi)部結構設計的時候可以從以下幾個方面來考慮：

1．通過改變閉合印制線回路的形狀，使之盡量狹長?？梢杂行У臏p小差模電流的輻射干擾水平。

2．根據(jù)差模電流在各個極化方向上的輻射水平的不同，盡量使臨近印制板上的印制線或元器件在較大輻射水平的極化方向上有最小的電長度，這樣可以保證它們耦合到較少的電磁能量。

3．在對機箱內(nèi)部的電纜進行布線設計時，確保電纜在較大輻射水平的極化方向上的電長度最小，從而使電纜耦合到的電磁能量最小。

4．確定得到最小的機箱對外輻射效果的通風窗或者是觀察窗的位置和結構。通風窗或觀察窗應盡可能的安裝在輻射水平較低的位置，如果通風窗或觀察窗是由矩形孔構成的，還應該考慮輻射場在窗口位置的各個方向的極化水平，盡量使矩形孔的長邊不在輻射水平最大的極化方向上，以便使從機箱輻射出去的電磁能量最小。

對以上幾點進行考慮的時候還要綜合其它結構的干擾源的輻射效果，比如繼電器、散熱器和電纜產(chǎn)生的輻射干擾，而這些都是可以通過數(shù)值或者是解析的方法得到的。

5、結論：

從對開關電源差模電流的輻射干擾進行電磁場數(shù)值模擬的結果可以看出，差模電流的輻射干擾隨著閉合回路的面積增加而增強，并呈線性變化，頻率的增高也使差模電流的輻射能量更集中于接地平面的上方。更為重要的是，相同面積的閉合回路，回路的形狀越來越狹長，差模電流引起的輻射干擾就越來越小。同時，差模電流的輻射干擾在各個極化方向上有不同的分布。這些差模電流的輻射特性可以作為進行開關電源印制線路板設計和機箱內(nèi)部的電磁兼容性設計的依據(jù)。

第五篇：開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析概要

開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

l、引言：

這是一種帶有接地平面的正方形的閉合印制線環(huán)路，在回路的兩端分別接有電壓源和阻抗相等的源內(nèi)阻、負載，當電壓信號的頻率較高時，這種結構與方環(huán)形天線是非常相似的，成為一·種嚴重的輻射源。

3、數(shù)值模擬： 對于建立好的模型．可以通過電磁場的數(shù)值模擬軟件來對其輻射特性進行分析。在這里我們使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來進行模擬。首先來研究這種閉合印制線回路的面積發(fā)生變化時其輻射特性如何發(fā)生變化。當差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時，在距離輻射回路為的遠場的電場強度為E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）為回路中電流信號的頻率，S(m2)為回路面積，1(A)為電流強度，θ（0）為測量天線與輻射平面的夾角。我們根據(jù)圖1所示的結構，取正方形閉合回路的邊長分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進行模擬，信號頻率為500MHz。圖3(a)和圖4分別為模擬得到的差模電流輻射的遠場三維方向圖(由于閉合回路的邊長變化時其遠場方向圖是非常相似的，此處只給出邊長為5cm時的方向圖）和S-E曲線，從中可以很明顯出由于印制線路板接地平面的存在使得差模輻射功率主要集中在接地平面上方，同時，遠區(qū)輻射場的電場強度與回路面積呈線性變化關系(本文中的電場強度均指在閉合印制線回路最大輻射方向上的電場強度)，這與式(1)是完全符合的。

4、結果分析：

閉合印制線回路的面積越大，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾就越嚴重。但是同樣面積的閉合印制線回路，如果回路形狀發(fā)生變化，不再是正方形結構，其產(chǎn)生的輻射干擾效果一樣會隨著變化，甚至產(chǎn)生相當大的差異。圖5顯示了當閉合印制線回路的面積保持25cm2不變時，矩形印制線回路源與終端所在的邊分別為2cm、3cm、4cm和5cm時差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾效果，且在頻率為500MHz、1GHz和1．5GHz時分別進行考慮。顯然，頻率增高，相同結構的閉合印制線回路產(chǎn)生的輻射干擾跟著增強，并且隨著頻率增高差模電流的輻射能量逐漸向印制線路板的正面轉移，如圖3所示，這是因為頻率的增高使得接地平面相對于差模電流信號的電尺寸變大，從而對閉合印制線回路的輻射場產(chǎn)生更大的反射效果。更為重要的是，隨著閉合印制線回路由正方形逐漸變化為越來越狹長的矩形，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾顯著減小。也就是說，即使閉合印制線回路的面積相同。適當?shù)馗淖兤湫螤?，使之越來越狹長，同樣可以減小相同強度的差模電流的輻射干擾。

閉合印制線回路上流過的差模電流產(chǎn)生的輻射干擾在各個極化方向上的分布是不同的。圖6是矩形印制線回路的源和終端所在的邊為3(回路面積為25)時頻率為1．5GHz差模電流的輻射干擾在X、Y、Z方向上的極化分量的三維方向圖，從圖中可以看到，X和Z方向上的極化分量主要集中于印制板正面的X軸的兩側，而Y方向上的極化分量主要集中于印制板的正上方區(qū)域，并且沿Y方向的極化分量最大，分別為X、Y方向極化分量的兩倍左右，對于源和終端所在邊為2cm、4cm和5cm時的閉合回路也是如此。

根據(jù)印制線路板上差模電流的輻射特性，>http://004km.cn/bbs/index.asp?boardid=10>開關電源設計人員在進行印制線路板和機箱內(nèi)部結構設計的時候可以從以下幾個方面來考慮： 1．通過改變閉合印制線回路的形狀，使之盡量狹長?？梢杂行У臏p小差模電流的輻射干擾水平。

2．根據(jù)差模電流在各個極化方向上的輻射水平的不同，盡量使臨近印制板上的印制線或元器件在較大輻射水平的極化方向上有最小的電長度，這樣可以保證它們耦合到較少的電磁能量。3．在對機箱內(nèi)部的電纜進行布線設計時，確保電纜在較大輻射水平的極化方向上的電長度最小，從而使電纜耦合到的電磁能量最小。

4．確定得到最小的機箱對外輻射效果的通風窗或者是觀察窗的位置和結構。通風窗或觀察窗應盡可能的安裝在輻射水平較低的位置，如果通風窗或觀察窗是由矩形孔構成的，還應該考慮輻射場在窗口位置的各個方向的極化水平，盡量使矩形孔的長邊不在輻射水平最大的極化方向上，以便使從機箱輻射出去的電磁能量最小。

對以上幾點進行考慮的時候還要綜合其它結構的干擾源的輻射效果，比如繼電器、散熱器和電纜產(chǎn)生的輻射干擾，而這些都是可以通過數(shù)值或者是解析的方法得到的。

5、結論：

從對>http://004km.cn/bbs/index.asp?boardid=10>開關電源差模電流的輻射干擾進行電磁場數(shù)值模擬的結果可以看出，差模電流的輻射干擾隨著閉合回路的面積增加而增強，并呈線性變化，頻率的增高也使差模電流的輻射能量更集中于接地平面的上方。更為重要的是，相同面積的閉合回路，回路的形狀越來越狹長，差模電流引起的輻射干擾就越來越小。同時，差模電流的輻射干擾在各個極化方向上有不同的分布。這些差模電流的輻射特性可以作為進行>http://004km.cn/bbs/index.asp?boardid=10>開關電源印制線路板設計和機箱內(nèi)部的電磁兼容性設計的依據(jù)。