開關電源輻射騷擾傳導騷擾！

1 概述

目前，電子產品電磁兼（jiān）容問題越來越受到人們的重（chóng）視，尤其（qí）是世界（jiè）上發達國家，已經形成了一套完整的電磁兼容體係，同時我（wǒ）國也正在建立電磁兼容體係，因此，實現產品的電磁兼容是進入國際市場的通行（háng）證。對於（yú）開關電源來說，由於開關管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對外界會產生很強的（de）電磁幹擾，因此開關電源的傳導（dǎo）發射和（hé）電磁（cí）輻射發射相對其它產品來（lái）說（shuō）更加難以實現電磁兼容，但如果我們對開關電源產生（shēng）電（diàn）磁幹（gàn）擾（rǎo）的原理了解（jiě）清楚後，就（jiù）不難找到合適的對策，將傳導發射電平和輻射發射電平降（jiàng）到合適的水平，實現電磁兼容性設計。

2 開關電源傳（chuán）導騷擾

2.1 傳導發射的（de）產生

開關電源的傳導騷擾是通過電源的輸入電源線向外傳播的電（diàn）磁幹（gàn）擾。在開關電源輸入電源線中向外傳播的騷（sāo）擾，既有（yǒu）差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾（rǎo）比差模騷擾產生更（gèng）強的（de）輻（fú）射騷擾。傳（chuán）導騷擾的（de）測試（shì）頻率（lǜ）範圍（wéi）為150KHz～30MHz，限值要求如下表1 所示：

在0.15MHz～1MHz 的頻率（lǜ）範圍內，騷擾主要以共模的（de）形式存在（zài），在1MHz～10MHz 的頻率範圍內，騷擾的形式（shì）是差模和共模共存，在10MHz 以上，騷擾的形式主要以共膜（mó）為主。傳（chuán）導發射的差（chà）模騷擾（rǎo）的產生主要是由於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形上升，開關管（guǎn）關斷時電流突（tū）變為0，因此流過電源線的電（diàn）流為高（gāo）頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的（de）升高，該諧波分（fèn）量的幅度越來越小，因此（cǐ）差模騷擾隨頻率的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由於電容C5 的存在，它與電感L3 組成低通濾波器，因此（cǐ），差模傳導騷擾主要存在低頻率段。

共模騷擾的產（chǎn）生主要原因是（shì）電源與大地（保護地（dì））之間存在有分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分（fèn）布電容傳入大（dà）地，與電源線構成回路，產生共（gòng）模騷擾。

如上圖 1 所示，L、N 為（wéi）電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成輸入EMI 濾波（bō）器，DB1 為整流橋，L1、VD1、C6 和VT2 為功率因數矯正主電路（lù），VT2 為開關管，開關管的D 極與管子的散熱器相（xiàng）連，開關管安裝在散熱器上時（shí），與散熱器之間形成一個（gè）耦合電容，如圖1 中的C7 所示，開關管VT2 工作在開（kāi）關狀（zhuàng）態（tài），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（yuán）線構成回路，產生共模騷擾。電（diàn）源與大地的分布（bù）電容比（bǐ）較分散，難以（yǐ）估算，但（dàn）從上麵的圖1 來看，開關管（guǎn）VT2 的D 極與散熱器之間耦合電容的作用最大，在上（shàng）麵的（de）圖1 中，從整（zhěng）流橋到電感L3 之間的電壓（yā）為100Hz 的工頻波形，而從電感L3 到二極管VD1 和開關管VT2D 極之（zhī）間（jiān）的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高（gāo）次諧波。其次電感L3 的（de）影響也比較大（dà），但L3 與機殼的距離比較遠，分布電容比開關（guān）管和散熱器之間的耦合電容小（xiǎo）的多，因此我們主要考慮開關管與散熱器（qì）之間（jiān）的耦合電容。

2.2 傳導騷擾的解決方法

2.2.1 EMI 濾波器

解決（jué）傳導騷擾目前大（dà）都采用（yòng）無源濾波器，如上圖 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成（chéng）一個EMI 濾波器，L1、L2 是兩個共模電感，一般來說，在共模電感當中，含（hán）有20%左右的差模電感，與電容C1、C2、C3 構（gòu）成差模濾波器，C4、C5 是共模電容，與電感（gǎn）L1、L2 構成共模濾波器。

共模電感（gǎn）量的計算：

假設開關管（guǎn）集電極的幹（gàn）擾電壓在 400V 左右，轉（zhuǎn）換成dB（μV）為：

傳導發（fā）射測試設備內部的去耦（ǒu）網絡（LISN）內阻（zǔ）Zin 標準為50Ω。則耦合電容C7 與測（cè）試（shì）設備去耦網絡的內阻Zin 對騷擾電（diàn）平的衰減為：

則：如果不加（jiā）EMI 濾波器（qì）時（shí），電源輸出端（duān）口（kǒu）所（suǒ）測得的騷擾（rǎo）電平為：

表 1 中（zhōng）A 級電源端口傳導限（xiàn）值的要求為79 dB（μV），顯然大大超過了限製（zhì）的要求。則需要濾波器在 150KHz 處的衰減為：

112-79=33 dB，考慮到至少有6dB 的裕量，EMI 濾波器的在150KHz 處的衰減應大於39dB，我們取40dB。二階（jiē）濾波器（qì）的衰減特性是-40dB/10 倍頻，在圖1 中有兩（liǎng）個二階濾波器，衰減特性是-80dB/10 倍（bèi）頻，則濾（lǜ）波器的轉折頻率（lǜ）應在：47KHz 左右，考慮到其他因素的影響，濾波器的轉折頻率（lǜ）取為40KHz。

共模電容 C4、C5 取（qǔ）4700P（考慮到漏電流（liú）的問題，不能取（qǔ）太（tài）大），則：C=C4+C5=9400P。

根據

計算（suàn）得：L=1.7mH

在設計EMI 濾波器的時候，為了有效（xiào）的抑製騷（sāo）擾信號的目的，必須對濾波器兩端將（jiāng）要連接的源阻抗（kàng）進行合（hé）理的搭配，當濾波（bō）器的輸（shū）出阻抗Zo 和負載阻抗RL 不相等時，在這（zhè）個端口會產生，反（fǎn）射係數ρ由下式來定義：

當 Zo 和RL 相差（chà）越大，端口產生的（de）反射越（yuè）大。

EMI 濾波器中的共模電感含有20%左右的差模電感，與X2 電容構成差模濾波器，在（zài）上麵的原理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對傳導騷擾的低頻端（duān）影響比（bǐ）較大，主要原因是因為在低頻段，騷擾（rǎo）的方式主要以差模的方式存在，增大C1、C2、C3，可（kě）以減（jiǎn）小低（dī）頻段的騷擾電平，但（dàn）取值一般不超過（guò）0.47～2.2μF，如果適當增大電容，低頻段仍然超標，可以增加（jiā）差模電感（gǎn）來解決。

2.2.2 其他方法

EMI 濾波（bō）器是采用切斷傳播途徑（jìng）的方法來減小傳導發射的騷擾電平，另外我們也可以從發射的源來著手，減小發射源向外發（fā）射的電平。

1：如下（xià）圖2 所示：

圖2 中，在PFC 升壓電感上增加一個輔助繞組，該繞組的匝數與主繞組相同，方向與主繞組相（xiàng）反，C7 是開（kāi）關管與（yǔ）散熱器之間的耦合（hé）電容，如圖所示增加一個與C7 容量大致相同（tóng）的一個電容接到散熱器與輔助繞組之間，這樣C7、C8 耦合到散熱器的騷擾信號幅（fú）度相（xiàng）同，方向（xiàng）相反，兩個信號（hào）剛好可以相互（hù）抵消，大大減小（xiǎo）向外發射的騷擾電平。

2：如下圖3 所（suǒ）示：

在圖3 中，增加一個高頻電容C8，接在開關（guān）管散熱器（qì）與輸出（chū）地（dì）之間，該電容（róng）與散熱器（qì）的（de）連接處（chù）離開關管越近越好，該電容選（xuǎn）用安（ān）規電容，容量在4700P 到0.01μf 之間，太大會使（shǐ）電源（yuán）的（de）漏電流超標，經過電容C7 耦合到散熱器上的（de）騷擾信號經過C8 衰減，衰減的係（xì）數為

由於 C8 比C7 大許多，上式可以（yǐ）簡化為（wéi）：

可見，假設 C7 為30P，C8 為4700P，則向外發射的騷擾信號被衰減了157 倍，近45dB。

3 開關電源的輻射騷（sāo）擾

3.1 輻射騷擾的空間傳輸（shū）

1. 遠（yuǎn）場和近場

電磁能量以（yǐ）場的形式向四周傳播，就形成了輻射騷擾，場可以分（fèn）為近場、和遠場，近場又稱為感（gǎn）應場，它的性質與場源有密切的關（guān）係，如果場源是高電壓小電流的源，則近場主要是電場，如果場（chǎng）源是低壓大電流，則場源主要是磁場。無論近場是磁場或是電場（chǎng），當離場源的距離大於λ/2π時，均變成遠場，又稱為輻（fú）射場。

由於開關電源（yuán）工作在高電壓，大電流（liú）的狀態下，近場（chǎng）即有（yǒu）電場，又有磁場。

2. 騷擾的輻射方式

● 單點輻射，主要模擬各相（xiàng）同性的較小的輻（fú）射源，輻（fú）射的強度可表示為：

式中，P 表示發射的功率（lǜ），r 表示離發射源的（de）距離。可見，單點輻（fú）射強度與距離成反比，與發射源的功率的（de）平方（fāng）根成（chéng）正比。

● 平行雙線環路的輻射

主要模（mó）擬（nǐ）差模電流回路的輻射源，其輻射強（qiáng）度可（kě）以表示為（wéi）：

式中 A 為差（chà）模電流所包圍（wéi）的麵積，I 是差模電流的大小，r 是離輻射（shè）源（yuán）的距離，λ是波（bō）長（zhǎng）。可見差模輻射強度與差模電流的大小和差模電流所（suǒ）包圍的麵積成正比，與距離成（chéng）反比，與頻率的（de）平方成正比。

因此應在高頻噪聲源（yuán）處加高頻去耦電容，以免高（gāo）頻噪聲流入電源回路中。

● 單導線的輻射

單（dān）導（dǎo）線的輻射公式可以（yǐ）用來估算共模電流產（chǎn）生的（de）輻射的大小：

式中，I 是共模電流的大小，r 是到共模電流源的距離， l 是導線的長度（dù），λ是波（bō）長。

3. 共模電流輻射

兩根相近的導線，如果（guǒ）流過差模電流，則導線產生的電磁場由（yóu）於方向相反（fǎn），大小（xiǎo）相等（děng）而相互抵消，但如果（guǒ）流過共模電流，時兩根導線產生的（de）電磁場相互疊加。因此大小相同（tóng）的共模電流所產生的空間輻（fú）射要比差（chà）模電流產生的空間輻射強度（dù）大的多，根據實驗，兩者（zhě）的輻（fú）射強度相差上（shàng）千倍。所以，開關電（diàn）源的輻（fú）射主要是（shì）由共模電流引起的。

● 共模電流輻射的基本模式

共模輻射有兩種驅動模式（shì），一種是電流驅動模式（shì），一種（zhǒng）是電壓驅動模式（shì），在開關電源中，起主要作用的主要是電壓驅動模式。

● 產生共模輻射的條（tiáo）件

產生共模輻射（shè）的條件有兩個，一是（shì）共模（mó）驅動源，一個是共模天線。

任何兩個金屬體之間存在射頻電位差，就構成一副不對稱振子（zǐ）天線，兩個金屬導體分

別是天線的兩個極，對於一個開（kāi）關（guān）電源來說，如下圖所（suǒ）示：

圖（tú）4 中C7 是開關管和散熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關管（guǎn）D 極相連接的印製線為天線的兩個極，在分析時可（kě）以簡化為下圖5：

圖中，Vs 為騷擾源，對圖4 來說，就是開關管VT2 的D 極，L1、L2 相當於天線的兩個極，一個極是與開關管D 極相連的印製線，另外一個極是散熱器（qì）及與之相連的接地線，C是天線兩極（jí）之（zhī）間的耦合（hé）電容，即圖4 中開關管與散（sàn）熱器之間的耦合（hé）電容。

共模輻射主要（yào）有天線上的共模電流的大小決定，因（yīn）此，天線兩極 L1、L2 之間的耦合電容越大，輻射功率越大。

另外，當天線的兩個極的總長度大於λ/20時，才能向外（wài）輻（fú）射能量，並且（qiě）當天（tiān）線的長度與騷擾源的（de）波長滿足下列條件時，輻（fú）射能量才最大。

3.2 開關電源的輻射源（yuán）

要解決和減小開關電源的電磁輻（fú）射，首先要了解開關電源的輻射源在那（nà）兒。對於一（yī）個（gè）前級帶有PFC 功率因數矯（jiǎo）正電路的開關電源來說，輻射騷擾的（de）源主要（yào）分布下麵幾個地方（開關電源中的輻射源例如驅（qū）動等，相對於下麵所列的要弱的多，所以（yǐ）可以不與考慮）。

1. PFC 開關管

2. PFC 升壓二極管

3. DC/DC 開關管

4. DC/DC 的整流管、續（xù）流管

5. PFC 升壓電感

6. DC/DC 變壓（yā）器

● PFC 開關（guān）管和（hé）DC/DC 開關管的輻射原理如上麵所述，屬於電（diàn）壓驅動（dòng）模式的驅動源，升（shēng）壓電感（gǎn）和（hé）變壓器屬於（yú）差模騷擾源，主要原因是漏（lòu）感的存（cún）在，導致電磁能量泄露，向（xiàng）外發（fā）射（shè）電（diàn）磁（cí）能量。

● PFC 升壓二極管和（hé）DC/DC 的整流二極管在反向截止時，存在反向恢複電流，如下圖所示：

圖中所示（shì）的是實際測試的PFC 升壓二極管關斷瞬間的反向恢複電流（liú）（不加吸收的情況下），在圖4 中，該反向恢（huī）複電流主要通過C6、VD1、VT2 構成回路，形成差模輻射，另（lìng）外，由於由於引線電感的存在，很小一部分的電流（liú）會通過散熱器與開（kāi）關管VT2 之間的耦合電容C7 向外流，形成共模（mó）輻射。

DC/DC 的整流二極管（guǎn）和續流管的反向恢複電流（liú）會導致二極管（guǎn）的反向電（diàn）壓出現很高的電壓尖峰，下圖 7 是正激電路的輸出濾波電路。

圖7 中，TI 是變（biàn）壓器，VD1、VD2 分（fèn）別是整（zhěng）流管（guǎn）和續流管，由於整（zhěng）流管（guǎn）、續流管在由導（dǎo）通轉（zhuǎn）向截止時有反向恢複電（diàn）流，該反向恢複電（diàn）流在VD1、VD2 兩端產生比較高的電壓峰值，由於快恢複二極管（guǎn）的反（fǎn）向恢複電流在幾十nS，所以峰值電壓的頻率較高，其基波頻（pín）率在幾十MHz，由於頻率很高，輻射能力很強，下圖8 是整流管和續流管的電（diàn）壓波形。

在上圖7 中，整流管、續流管固定在散熱器上，散（sàn）熱器接大地（dì），由於二極管的陰極與管殼的散熱板直接相連，管殼的（de）散熱板與散熱器之間就形成了耦合電容，整流管、續流（liú）管在截止時產生的高壓（yā）尖峰就通過（guò）耦（ǒu）合電容流動，產生共（gòng）模輻射，輸出（chū）線和地分（fèn）別（bié）是天線的兩個極。

●開關電源其他的輻（fú）射源如（rú）印製（zhì）線與機殼（ké）之間分布電容引起的共模輻射、內部電路工作時產生的差模輻射等，與前麵的幾個輻射源相比要（yào）小得多。

3.3 輻射（shè）騷擾的（de）解決措施

上麵分析了輻射騷擾產生的原因和開關電源的輻射源，再解決開關電源的輻射問題就比（bǐ）較容易了。

3.3.1 開關管發射源引起（qǐ）的輻射（shè）發射

上麵所介紹的輸（shū）入端口的傳導騷擾，是通過輸入（rù）線向外發射的（de），同時，輸入線（xiàn）又是一個天線，共模電流在流（liú）過輸入線的時候（hòu），就會向空間發射電（diàn）磁能量，產生輻射騷擾，因此對於上麵解決傳導發射的措施，在減小了傳導發射的同時，也大大減小了輸入端口的輻射發射。

對於輻射（shè）源 DC/DC 開（kāi）關管，也（yě）可（kě）以采取與PFC 開關管的相同的措施，來減（jiǎn）小驅動源的電壓幅度，較小輻射發射的強度。

下麵圖 9 是采取在PFC 開關（guān）管散熱器對PFC 輸出地加電容與不加電容輻射強度的對比。

圖中，前麵是加電容的，後麵是不加電容的，從兩個圖中可以看出，在50MHZ 附近，輻射騷擾電平在加了電容（róng）以後降低了盡10DB，在120MHZ 到220MHZ 的頻率範圍內也降低了10DB 左右。

3.3.2 DC/DC 整流（liú）管、續流管發射源

對於 DC/DC 整流管、續流管發射源，除了（le）增加（jiā）吸收，減小二（èr）極管（guǎn）兩（liǎng）端的峰值電壓、在二極管的管腳上套（tào）飽和磁環（huán）以減小反向恢複電流外，還可以采取以下措施。

1. 在整流管、續流管與散熱器的接觸點附近（jìn）對輸出地接電容，如下圖 10 所（suǒ）示：

圖中C2 是二極管（guǎn）VD1 和VD2 與散熱器之間的（de）耦合電容，容量一般在幾十PF，C3 是增加（jiā）的電容，C3 要遠大（dà）於C2，DC/DC 整（zhěng）流管、續流管上的電壓峰值經過C2 與（yǔ）C3 的分壓，幅度（dù）大大降低，就可（kě）以（yǐ）大大減小向外的（de）輻射。

2. 采（cǎi）用如（rú）下（xià）圖 11 所示的電路形式。

在上圖的電路（lù）形式中（zhōng），將（jiāng）輸出濾波電感放（fàng）在輸出的負端，VD1、VD2 的輸出直接接在（zài）輸出濾（lǜ）波電容的正端，這樣，整流管、續流管的陰極接固定電平，通過陰極連接（jiē）的散熱麵與散熱器之間的耦合電容向外流動（dòng）的共模（mó）電（diàn）流就會大大（dà）減小，從而大大（dà）減小輸出端口的輻（fú）射電平。

3.3.3 機（jī）箱屏蔽

開關電源的輻射除了上述的輻射源主要通過輸入輸出端口向外輻（fú）射以外，電源的控製電（diàn）路、驅動、輔助電源、變壓（yā）器、電感等（děng）直（zhí）接向（xiàng）空間輻射電磁能量，因此需要采用機箱（xiāng）進行屏蔽，機箱屏蔽要考慮機箱的材料、厚度和（hé）孔縫對屏蔽效能的影響。

1.吸收損耗

當電磁（cí）波（bō）進（jìn）入金屬屏蔽體後會產生感應電流，變為熱能而消耗掉，所以電磁波進入金（jīn）屬導體中以指（zhǐ）數的方式很快（kuài）衰減，傳輸距離很短。

我們將電磁波衰減到原來（lái） 1/e，即0.37 倍時的距離稱（chēng）為集膚深度δ

集膚深（shēn）度δ與材料的性（xìng）能和頻率有關，可用下麵的公式表示：

公式（shì）中，μ是材料的磁導率，σ是材料的電導率。

2. 反射損耗

當電磁波到達兩種介質表麵時，因阻抗不匹配而（ér）發生反射，所引起的電（diàn）磁波能（néng）量損耗稱為反射損耗。

輻射騷擾所測試的頻率範圍是 30MHz～1000MHz。如果單純的隻（zhī）考慮30MHz 以上的電磁屏蔽，薄薄一層的導體就可以達到（dào）很高的屏（píng）蔽效能，但對於頻（pín）率比較低的電（diàn）場或磁場，就要考慮屏蔽（bì）所使（shǐ）用的材料和厚度了。

3. 孔縫對屏蔽的影（yǐng）響

在實際的（de）應用當中，機箱（xiāng）上（shàng）總是存在有接線孔、通（tōng）風孔以及機箱各麵之間的連接縫隙，如果機箱的孔縫尺寸不合理，將（jiāng）使屏蔽效能大大降低，一般（bān）來說，孔縫的尺寸應小（xiǎo）於十分之（zhī）一到百分之（zhī）一的波長，才能達到相應的（de）屏蔽（bì）效（xiào）果。如果上限頻率按1000MHz 來考慮，孔縫的尺寸應小（xiǎo）於（yú）：3～0.3cm。由於開關電源的電磁輻射頻率範圍一般在30MHz 到500MHz 之間，屏蔽的上限頻率可以按500MHz 來考慮。