開關電源電磁兼容技術探討

許傳發(fā)

（山東省青島市92635部隊，山東 青島266041）

1 電磁兼容技術的內涵

電磁兼容是指電子、電氣以及組成的系統(tǒng)在一個共同的電磁環(huán)境中同時完成各自的功能且共存的狀態(tài)，即系統(tǒng)中的這些電子設備不會因為內部或者彼此之間的電磁干擾而導致系統(tǒng)異常。其主要的內涵有：設備或者系統(tǒng)具備電磁兼容的功能；設備或者系統(tǒng)不會產生超過標準的電磁干擾。

電磁兼容性就是電子產品、設備、系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中按照設計功能進行正常工作，且不會對系統(tǒng)中的其他設備或者事物產生電磁干擾。電磁兼容技術的發(fā)展是伴隨著無線電、電子技術等發(fā)展起來的一門實用性工程類學科，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

電磁兼容本質是抗干擾問題。電磁干擾是特定的干擾源發(fā)出的干擾電磁能量，經過耦合途徑將此能量傳輸?shù)矫舾械脑O備，使得該設備正常工作受到影響。干擾的種類有很多，主要的有大氣、雷電、宇宙等自然干擾；而系統(tǒng)中的某一個部分正常工作時發(fā)出的能量與無用能量對其他部分的干擾則是人為干擾。電磁兼容就通過對這些電磁干擾進行控制來實現(xiàn)的，所以電磁兼容技術是在認知干擾的基礎上，從對抗電磁干擾而形成的。其具體要求：在設計好的電磁環(huán)境中設備功能正常，各項性能沒有下降或者延緩；對電磁環(huán)境不會造成污染。

2 開關電源電磁干擾的形成

2.1 印制電路中的電磁噪聲

印制電路是各種電路的支撐基礎，開關電源也是如此。電路板是電路與電氣件的連接平臺，即PCB。在開關電源中這個元件是控制電磁干擾源的重要基礎。因為印制電路的線路布置沒有特殊規(guī)定，也沒有專門的規(guī)則指導其布線，因此一些產品在設計中往往重視密度，縮小器件的體積，簡化了制作工藝，或者為了美感與均勻忽視了對其電磁兼容性能的考慮，這樣就會導致信號輻射，形成元件內部干擾。設計不良的PCB會直接引發(fā)電磁干擾，部分問題通過增加濾波器和抑制器件都不能解決。

2.2 晶體管電磁干擾

在設計中為了保證變壓器的體積適應開關電源的優(yōu)化，就會利用提高功率器件的性能來優(yōu)化。如提高功率晶體管開關頻率，但是會導致電流變化頻率增加，從而導致不易控制的電磁信號。另外，高頻率的晶體管必須有散熱元件作保證，此時就會導致寄生電容的出現(xiàn)，并產生了電壓頻率改變而增加了干擾。

2.3 開關變壓器

在電源中功率變壓器是一個不可缺少的器件，在工作中也會產生電磁干擾。在變壓器的多個繞組之間必然會產生寄生電容，導致脈沖電流，從而導致電磁干擾，且向周圍輻射。同時變壓器兩側的配合差異會導致漏磁，且激增了功率晶體管的電壓，擴大了電磁干擾。

3 開關電源電磁兼容技術的應用

3.1 印制電路設計改進

設計中先考慮的是PCB的體積。電路板的最佳形狀應是矩形，且比例相對固定，以3：2或4：3為主。電路板過大則印制線條長，需要的抗阻也就增加，抗噪能力也就減弱，也帶來成本增加。過小則散熱性差，器件安裝緊密不利于兼容；在確定PCB的大小后，應重點確定關鍵元件的位置；最后根據(jù)電路的功能單元來對所需要的電氣元件進行合理布局。

電子設備中數(shù)字電路、模擬電路、電源電路布局和布線特點是沒有一定規(guī)律的，不同的開關電源所用的方式也不同，在設計中利用措施對干擾進行控制是存在適應性的。在開關電源中高頻和低頻電路的差異會直接導致電磁干擾的產生，且影響兼容方式的不同。在開關元件布置的時候應對數(shù)字性、模擬性、電源控制等電路進行區(qū)分，對高頻電路與低頻電路進行人為的隔離。并在設計中應將強弱干擾元件劃分開，設置特定的路徑。

開關電路中設計的最佳思路就是將無用的信號耦合降至最低或者消除，這樣就可以提高電磁兼容性。

（1）為了保證降低耦合性，就應將低電平與高電平信號進行分開設計，保證其不直接與高電平信號元件接觸，并保證其與過沖電路進行隔離；

（2）將低電平的模擬電路與數(shù)字電路分開布置，避免模擬電路和數(shù)字電路公共回路之間產生較大的阻抗耦合；

（3）高中低速的邏輯運算電路應在PCB的不同位置上；

（4）設置電路應選擇信號線路最短；保證相鄰板、同一個板相鄰層面之間、同一層相鄰線之間不能存在過長的平行信號線路；

（5）電磁干擾濾波元件應盡量靠近較強的信號干擾源，并設置在同一個線路板上；采用的DC／DC變換器、開關元件、整流器應與變壓器設置在一個區(qū)域內，保證其導線的長度最短；將調壓元件和濾波電容器設置在靠近整流二極管；

（6）印制電路應與頻率、電路開關等具有明顯特征的元件分開，電磁干擾和不會干擾的元件拉大距離；

（7）對電磁干擾相對敏感的電路或者元件應與干擾源保持平行。

3.2 功率晶體管的設計

針對前面分析，晶體管中的電流變化率增加就會直接產生較大的電涌電壓和切換噪聲。比較常用的對電涌進行控制的措施就是對電壓進行防護，利用電磁珠的合理設置等措施對電涌進一步控制，當然是被動措施。另外，可以利用電源的拓撲技術對其進行主動的控制，如：零轉換PWM軟開關轉換，可以從根本上改變此類情況的出現(xiàn)。功率晶體管利用散熱向周圍輸出噪聲輻射，可以利用減少寄生電容的措施進行控制，因為寄生電容的容量和介質相關，與介電常數(shù)成正比，所以選擇絕緣材料應利用導熱性好、介電常數(shù)小的，如陶瓷墊片就是很好的選擇。

3.3 功率變壓器的兼容設計

功率變壓器的電磁兼容性改進，首先應對其幾何形狀進行合理選擇，其中罐狀結構是一種適應低電磁干擾或者射頻干擾，因為骨架結構的中心線圈幾乎是被鐵氧體材料包裹，從而有效降低了輻射。繞組結構對變壓器的性能也有重要的影響，為了降低漏感的程度，功率變壓器通常要采用一種三文治式的繞組結構，如圖1（a）所示，簡單的繞組邊緣和副邊繞組構成了磁動勢m.m.f。而圖1（b）是三層設計的繞組形式，原邊與副邊的相對磁動勢的變換曲線。如果利用簡單的繞組構成，磁動勢會在原邊繞組的匝數(shù)增加的時候卻出現(xiàn)上升，很快就會達到兩邊繞組出現(xiàn)峰值時最大。在副邊繞組的外面，磁動勢會出現(xiàn)降低且歸零。磁動勢增加直接導致的就是電磁干擾。三層繞組的方式可以有效地降低最大峰值的出現(xiàn)，在原邊的繞組中心位置歸零。三層繞組可以將原邊劃分為兩個部分，讓副邊繞組在中間。這就更好地實現(xiàn)電磁兼容，變壓器內部的原邊、副邊之間需要增加電磁屏蔽層，以此更好地抑制電磁輻射干擾。

圖1 變壓器的繞組磁動勢分析

4 結束語

隨著電子技術的發(fā)展，電子設備的形式不斷增加且功能也趨于復雜，應用電子設備的領域也越來越廣，電磁環(huán)境也隨之變得復雜起來，電磁干擾的問題日益突出。因此電磁兼容技術也成為電子領域的研究重點。綜上所述，開關電源電磁兼容設計應從源頭進行控制，即切斷系統(tǒng)耦合途徑，保證設計的合理性，利用器件改進提高兼容性等，采用各種措施綜合防治才能獲得較好的兼容性。

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