開關(guān)電源電磁兼容技術(shù)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(shù)的內(nèi)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(shè)備不會因為內(nèi)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(nèi)涵有：設(shè)備或者系統(tǒng)具備電磁兼容的功能；設(shè)備或者系統(tǒng)不會產(chǎn)生超過標準的電磁干擾。

電磁兼容性就是電子產(chǎn)品、設(shè)備、系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中按照設(shè)計功能進行正常工作，且不會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備或者事物產(chǎn)生電磁干擾。電磁兼容技術(shù)的發(fā)展是伴隨著無線電、電子技術(shù)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(zhì)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(jīng)過耦合途徑將此能量傳輸?shù)矫舾械脑O(shè)備，使得該設(shè)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(shù)是在認知干擾的基礎(chǔ)上，從對抗電磁干擾而形成的。其具體要求：在設(shè)計好的電磁環(huán)境中設(shè)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(guān)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(chǔ)，開關(guān)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(guān)電源中這個元件是控制電磁干擾源的重要基礎(chǔ)。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(chǎn)品在設(shè)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(nèi)部干擾。設(shè)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(shè)計中為了保證變壓器的體積適應(yīng)開關(guān)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(guān)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(chǎn)生了電壓頻率改變而增加了干擾。

2.3 開關(guān)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(chǎn)生電磁干擾。在變壓器的多個繞組之間必然會產(chǎn)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(cè)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(guān)電源電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用

3.1 印制電路設(shè)計改進

設(shè)計中先考慮的是PCB的體積。電路板的最佳形狀應(yīng)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(yīng)重點確定關(guān)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(shè)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(guān)電源所用的方式也不同，在設(shè)計中利用措施對干擾進行控制是存在適應(yīng)性的。在開關(guān)電源中高頻和低頻電路的差異會直接導致電磁干擾的產(chǎn)生，且影響兼容方式的不同。在開關(guān)元件布置的時候應(yīng)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(shè)計中應(yīng)將強弱干擾元件劃分開，設(shè)置特定的路徑。

開關(guān)電路中設(shè)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(yīng)將低電平與高電平信號進行分開設(shè)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(chǎn)生較大的阻抗耦合；

（3）高中低速的邏輯運算電路應(yīng)在PCB的不同位置上；

（4）設(shè)置電路應(yīng)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(yīng)盡量靠近較強的信號干擾源，并設(shè)置在同一個線路板上；采用的DC／DC變換器、開關(guān)元件、整流器應(yīng)與變壓器設(shè)置在一個區(qū)域內(nèi)，保證其導線的長度最短；將調(diào)壓元件和濾波電容器設(shè)置在靠近整流二極管；

（6）印制電路應(yīng)與頻率、電路開關(guān)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(yīng)與干擾源保持平行。

3.2 功率晶體管的設(shè)計

針對前面分析，晶體管中的電流變化率增加就會直接產(chǎn)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(shè)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(shù)對其進行主動的控制，如：零轉(zhuǎn)換PWM軟開關(guān)轉(zhuǎn)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(zhì)相關(guān)，與介電常數(shù)成正比，所以選擇絕緣材料應(yīng)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(shè)計

功率變壓器的電磁兼容性改進，首先應(yīng)對其幾何形狀進行合理選擇，其中罐狀結(jié)構(gòu)是一種適應(yīng)低電磁干擾或者射頻干擾，因為骨架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，簡單的繞組邊緣和副邊繞組構(gòu)成了磁動勢m.m.f。而圖1（b）是三層設(shè)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(gòu)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(nèi)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(jié)束語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的形式不斷增加且功能也趨于復雜，應(yīng)用電子設(shè)備的領(lǐng)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(shù)也成為電子領(lǐng)域的研究重點。綜上所述，開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計應(yīng)從源頭進行控制，即切斷系統(tǒng)耦合途徑，保證設(shè)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。

［1］陳 灝.開關(guān)電源的電磁兼容技術(shù)研究［J］.電子質(zhì)量 ，2009，（06）：71－73.

［2］［2］陳永春.電磁兼容技術(shù)綜述及開關(guān)電源中的EMC技術(shù)應(yīng)用［J］.今日電子，2008，（04）：49－51.

［3］劉佐成.高頻開關(guān)電源中的電磁干擾（EMI）問題及電磁兼容（EMC）［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，（10）：166－167.

［4］崔海安.開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計［J］.雷達與對抗，2008，（04）：42－45.

［5］李振森，徐軍明，孫 峰.高功率因數(shù)反激式開關(guān)電源的電磁兼容研究［J］.電子器件，2009，（04）：824－827.