开关电源传导骚扰，传导骚扰的解决方法

目前，电子产品电磁兼容问题日益引起人们的关注。发达国家已经建立了一套完整的电磁兼容体系，我国也正在积极构建电磁兼容体系。因此，实现产品的电磁兼容是进入国际市场的必要条件。对于开关电源来说，由于其开关管和整流管在高电流高电压的条件下工作，会对外界产生强烈的电磁干扰。因此，相对于其他产品，实现开关电源的传导发射和电磁辐射发射更加困难。然而，只要我们了解开关电源产生电磁干扰的原理，就能找到合适的对策，将传导发射和辐射发射的电平降到合适的水平，实现电磁兼容性设计。

开关电源的传导骚扰是指通过电源的输入电源线向外传播的电磁干扰。这种骚扰分为差模骚扰和共模骚扰，其中共模骚扰产生的辐射骚扰更强。传导骚扰的测试频率范围为150KHz～30MHz。在0.15MHz～1MHz的频率范围内，骚扰主要以共模形式存在；在1MHz～10MHz的频率范围内，骚扰形式是差模和共模共存；在10MHz以上，骚扰主要以共模形式存在。差模骚扰的产生主要是由于开关管在开关状态下工作，当开关管闭合时，电流线形上升；当开关管断开时，电流突变为0。因此，流过电源线的电流是高频的三角脉动电流，其中包含丰富的高频谐波分量。随着频率的提高，谐波分量的幅度逐渐减小，所以差模骚扰随频率的升高而减小。此外，由于电容C5的存在，它与电感L3形成低通滤波器，所以差模传导骚扰主要存在于低频段。共模骚扰的产生主要是由于电源与大地之间存在分布电容，高频谐波分量通过分布电容传入大地，与电源线构成回路，产生共模骚扰。

解决传导骚扰的方法主要包括EMI滤波器。EMI滤波器是一种无源滤波器。如图1所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2组成了一个EMI滤波器。其中L1、L2是两个共模电感，其中大约20%是差模电感，与C1、C2、C3构成差模滤波器。C4和C5是共模电容，与L1、L2构成共模滤波器。共模电感的量的计算公式为：假设开关管集电极的干扰电压约为400V，转换成dB（μV）。传导发射测试设备内部的去耦网络（LISN）内阻Zin标准为50Ω。那么耦合电容C7和测试设备去耦网络的内阻Zin对骚扰电平的衰减为：

如果不使用EMI滤波器，测量电源输出端口的骚扰电平为表1中A级电源端口传导限值要求的79 dB（μV），明显超过了限制要求。所以需要在150KHz处的滤波器衰减至少为112-79=33 dB，并考虑到至少有6dB的裕量，所以EMI滤波器在150KHz处的衰减应大于39dB，我们取40dB。二阶滤波器的衰减特性是-40dB/10倍频，在图1中有两个二阶滤波器，衰减特性是-80dB/10倍频，因此滤波器的转折频率应该在47KHz左右，考虑到其他因素的影响，滤波器的转折频率取为40KHz。共模电容C4、C5取4700P（考虑到漏电流的问题，不能取太大），所以C=C4+C5=9400P。根据计算得出L=1.7mH。

在设计EMI滤波器时，为了有效地抑制骚扰信号，必须合理匹配滤波器两端将要连接的源阻抗。当滤波器的输出阻抗Zo和负载阻抗RL不相等时，在这个端口会产生反射，反射系数ρ由公式定义。当Zo和RL相差越大，端口产生的反射就越大。

EMI滤波器中的共模电感含有大约20%的差模电感，与X2电容构成差模滤波器。在原理图中的X2电容C1、C2、C3对传导骚扰的低频端影响较大。主要是因为在低频段，骚扰以差模的方式存在。增大C1、C2、C3可以减小低频段的骚扰电平，但取值一般不超过0.47～2.2μF。如果适当增大电容，低频段仍然超标，可以增加差模电感来解决。

除了使用EMI滤波器外，还可以采用其他方法来减小传导发射的骚扰电平。优选种方法是在PFC升压电感上增加一个辅助绕组，辅助绕组的匝数与主绕组相同，方向相反。通过增加一个与辅助绕组和散热器之间的耦合电容C7，可以实现对散热器与辅助绕组之间的骚扰信号的抵消，从而减小向外发射的骚扰电平。第二种方法是在开关管散热器与输出地之间增加一个高频电容C8，通过这个电容来衰减经过耦合到散热器上的骚扰信号，从而减小向外发射的骚扰电平。

对于开关电源的辐射骚扰，空间传输可以分为远场和近场。开关电源工作在高电压、大电流下，既有电场又有磁场。辐射骚扰的方式可以是单点辐射或平行双线环路的辐射。单点辐射强度与距离成反比，与发射源的功率的平方根成正比。而平行双线环路的辐射源模拟差模电流回路，其辐射强度可以通过公式表示。

式中，A为差模电流所包围的面积，I表示差模电流的大小，r为离辐射源的距离，λ为波长。可以看出，差模辐射强度与差模电流的大小和差模电流所包围的面积成正比，与距离成反比，与频率的平方成正比。

因此，在高频噪声源处应该加入高频去耦电容，以防止高频噪声流入电源回路。

单导线的辐射公式可以用来估算共模电流产生的辐射大小。公式中，I表示共模电流的大小，r表示到共模电流源的距离，l表示导线的长度，λ表示波长。

两根相近的导线，如果通过差模电流，则由于方向相反、大小相等而相互抵消，但如果通过共模电流，则两根导线产生的电磁场会相互叠加。因此，相同大小的共模电流产生的空间辐射比差模电流产生的空间辐射强得多。根据实验结果，共模电流产生的辐射强度比差模电流高上千倍。因此，开关电源的辐射主要是由共模电流引起的。

共模辐射有两种驱动模式，一种是电流驱动模式，一种是电压驱动模式，在开关电源中，电压驱动模式起主要作用。

产生共模辐射的条件有两个，一个是共模驱动源，一个是共模天线。只要两个金属体之间存在射频电位差，就形成了一副不对称振荡天线，其中两个金属导体分别是天线的两个极。对于开关电源来说，这种情况如下图所示：

图中的C7表示开关管和散热器之间的耦合电容，散热器和与开关管D极相连的印制线是天线的两个极。可以简化分析为下图：

图中的Vs表示干扰源，对于图中的开关管VT2来说，就是D极，L1和L2相当于天线的两个极。一个极是与开关管D极相连的印制线，另一个极是散热器及与其相连的接地线，C是天线两极之间的耦合电容，即开关管与散热器之间的耦合电容。

共模辐射主要取决于天线上的共模电流的大小。因此，天线的两个极L1和L2之间的耦合电容越大，辐射功率就越大。

此外，只有当天线的两个极的总长度大于波长的1/20时，才能向外辐射能量。并且当天线的长度与干扰源的波长满足一定条件时，辐射能量才会较大化。

要解决和减小开关电源的电磁辐射，首先要了解开关电源的辐射源在哪里。对于带有功率因数矫正电路的前级开关电源来说，辐射骚扰源主要分布在以下几个地方（相对于驱动等辐射源来说，这些源辐射较弱，可以忽略不计）：

1. PFC开关管

2. PFC升压二极管

3. DC/DC开关管

4. DC/DC的整流管、续流管

5. PFC升压电感

6. DC/DC变压器

PFC开关管和DC/DC开关管的辐射原理如上述所述，属于电压驱动模式的驱动源。而升压电感和变压器属于差模骚扰源，主要原因是漏感的存在导致电磁能量泄漏并向外发射。

PFC升压二极管和DC/DC的整流二极管在反向截止时会有反向恢复电流。在上图示例中，该反向恢复电流主要通过C6、VD1和VT2构成回路，形成差模辐射。另外，由于引线电感的存在，部分电流会通过散热器与开关管VT2之间的耦合电容C7流出，形成共模辐射。

DC/DC的整流二极管和续流管的反向恢复电流会导致二极管的反向电压出现高压尖峰。

总结

以上是对开关电源电磁辐射的重构，内容包括了差模电流和共模电流的辐射特性，共模电流辐射的基本模式，产生共模辐射的条件，以及开关电源的辐射源等。通过了解电磁辐射的原理和源头，可以采取相应的措施来减小开关电源的电磁辐射。

图7中，变压器（TI）和整流管（VD1）以及续流管（VD2）是开关电源中的关键组件。由于整流管和续流管在导通和截止之间会产生反向恢复电流，从而在二者的两端产生比较高的电压峰值。由于快恢复二极管的反向恢复电流非常快，所以峰值电压的频率很高，即基波频率在几十MHz。这种高频率的辐射能力很强，会对周围产生干扰。图8展示了整流管和续流管的电压波形。

在图7中，整流管和续流管安装在散热器上，散热器与大地相接。由于二极管的阴极直接连接到管壳的散热板上，管壳的散热板与散热器之间会形成耦合电容。整流管和续流管在截止时产生的高压尖峰会通过耦合电容流动，并产生共模辐射。输出线和地分别是天线的两个极。

开关电源还存在其他的辐射源，比如印制线与机壳之间分布电容引起的共模辐射以及内部电路工作时产生的差模辐射等，但与前面提到的几个辐射源相比，其辐射能力较弱。

为了解决辐射干扰问题，可以采取以下措施：

1. 对于开关管引起的辐射发射，在减小传导发射的同时，也会减小输入端口的辐射发射。对于辐射源DC/DC开关管，可以采取与PFC开关管相同的措施，来减小驱动源的电压幅度，从而减小辐射发射的强度。

2. 对于DC/DC整流管和续流管的辐射源，除了增加吸收，减小二极管两端的峰值电压和在管脚上套饱和磁环以减小反向恢复电流外，还可以通过在整流管和续流管与散热器的接触点附近接上输出地的电容来减小辐射。另外，还可以采用将输出滤波电感放在输出的负端，并将整流管和续流管的输出直接接在输出滤波电容的正端的电路形式，这样可以减小流过阴极连接的散热面与散热器之间耦合电容向外流动的共模电流，从而减小输出端口的辐射电平。

机箱屏蔽也是解决开关电源辐射问题的措施之一。除了输入输出端口向外辐射的辐射源外，开关电源的控制电路、驱动、辅助电源、变压器、电感等也会直接向空间辐射电磁能量，因此需要使用机箱进行屏蔽。在选择机箱材料、厚度和孔缝时，需要考虑对屏蔽效能的影响。

除了屏蔽外，还可以通过吸收损耗和反射损耗来减少辐射。当电磁波进入金属屏蔽体后，会产生感应电流并消耗掉成热能，从而快速衰减。集肤深度δ与材料性能和频率相关。另外，当电磁波到达两种介质表面时，会因阻抗不匹配而发生反射，引起能量损耗，称为反射损耗。

测试辐射骚扰的频率范围为30MHz至1000MHz。只考虑30MHz以上的电磁屏蔽时，薄薄一层导体就可以实现高效的屏蔽效果。然而，对于较低频率的电场或磁场，需要考虑屏蔽材料的选择和厚度。

在实际应用中，机箱通常具有接线孔、通风孔以及机箱各面之间的连接缝隙。如果机箱的孔缝尺寸不合理，将大大降低屏蔽效能。一般来说，孔缝的尺寸应小于波长的十分之一到百分之一，以达到相应的屏蔽效果。如果以上限频率为1000MHz进行考虑，孔缝的尺寸应小于3至0.3cm。考虑到开关电源的电磁辐射频率范围通常在30MHz到500MHz之间，我们可以将屏蔽的上限频率设定为500MHz来进行考虑。