目前，電子產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了一套完整的電磁兼容體系，我國(guó)也正在積極構(gòu)建電磁兼容體系。因此，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容是進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的必要條件。對(duì)于開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，由于其開關(guān)管和整流管在高電流高電壓的條件下工作，會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。因此，相對(duì)于其他產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射更加困難。然而，只要我們了解開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原理，就能找到合適的對(duì)策，將傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的電平降到合適的水平，實(shí)現(xiàn)電磁兼容性設(shè)計(jì)。

開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾是指通過(guò)電源的輸入電源線向外傳播的電磁干擾。這種騷擾分為差模騷擾和共模騷擾，其中共模騷擾產(chǎn)生的輻射騷擾更強(qiáng)。傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試頻率范圍為150KHz～30MHz。在0.15MHz～1MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以共模形式存在；在1MHz～10MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾形式是差模和共模共存；在10MHz以上，騷擾主要以共模形式存在。差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)管在開關(guān)狀態(tài)下工作，當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，電流線形上升；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電流突變?yōu)?。因此，流過(guò)電源線的電流是高頻的三角脈動(dòng)電流，其中包含豐富的高頻諧波分量。隨著頻率的提高，諧波分量的幅度逐漸減小，所以差模騷擾隨頻率的升高而減小。此外，由于電容C5的存在，它與電感L3形成低通濾波器，所以差模傳導(dǎo)騷擾主要存在于低頻段。共模騷擾的產(chǎn)生主要是由于電源與大地之間存在分布電容，高頻諧波分量通過(guò)分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。

解決傳導(dǎo)騷擾的方法主要包括EMI濾波器。EMI濾波器是一種無(wú)源濾波器。如圖1所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2組成了一個(gè)EMI濾波器。其中L1、L2是兩個(gè)共模電感，其中大約20%是差模電感，與C1、C2、C3構(gòu)成差模濾波器。C4和C5是共模電容，與L1、L2構(gòu)成共模濾波器。共模電感的量的計(jì)算公式為：假設(shè)開關(guān)管集電極的干擾電壓約為400V，轉(zhuǎn)換成dB（μV）。傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試設(shè)備內(nèi)部的去耦網(wǎng)絡(luò)（LISN）內(nèi)阻Zin標(biāo)準(zhǔn)為50Ω。那么耦合電容C7和測(cè)試設(shè)備去耦網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻Zin對(duì)騷擾電平的衰減為：

如果不使用EMI濾波器，測(cè)量電源輸出端口的騷擾電平為表1中A級(jí)電源端口傳導(dǎo)限值要求的79 dB（μV），明顯超過(guò)了限制要求。所以需要在150KHz處的濾波器衰減至少為112-79=33 dB，并考慮到至少有6dB的裕量，所以EMI濾波器在150KHz處的衰減應(yīng)大于39dB，我們?nèi)?0dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10倍頻，在圖1中有兩個(gè)二階濾波器，衰減特性是-80dB/10倍頻，因此濾波器的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)該在47KHz左右，考慮到其他因素的影響，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為40KHz。共模電容C4、C5取4700P（考慮到漏電流的問(wèn)題，不能取太大），所以C=C4+C5=9400P。根據(jù)計(jì)算得出L=1.7mH。

在設(shè)計(jì)EMI濾波器時(shí)，為了有效地抑制騷擾信號(hào)，必須合理匹配濾波器兩端將要連接的源阻抗。當(dāng)濾波器的輸出阻抗Zo和負(fù)載阻抗RL不相等時(shí)，在這個(gè)端口會(huì)產(chǎn)生反射，反射系數(shù)ρ由公式定義。當(dāng)Zo和RL相差越大，端口產(chǎn)生的反射就越大。

EMI濾波器中的共模電感含有大約20%的差模電感，與X2電容構(gòu)成差模濾波器。在原理圖中的X2電容C1、C2、C3對(duì)傳導(dǎo)騷擾的低頻端影響較大。主要是因?yàn)樵诘皖l段，騷擾以差模的方式存在。增大C1、C2、C3可以減小低頻段的騷擾電平，但取值一般不超過(guò)0.47～2.2μF。如果適當(dāng)增大電容，低頻段仍然超標(biāo)，可以增加差模電感來(lái)解決。

除了使用EMI濾波器外，還可以采用其他方法來(lái)減小傳導(dǎo)發(fā)射的騷擾電平。優(yōu)選種方法是在PFC升壓電感上增加一個(gè)輔助繞組，輔助繞組的匝數(shù)與主繞組相同，方向相反。通過(guò)增加一個(gè)與輔助繞組和散熱器之間的耦合電容C7，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱器與輔助繞組之間的騷擾信號(hào)的抵消，從而減小向外發(fā)射的騷擾電平。第二種方法是在開關(guān)管散熱器與輸出地之間增加一個(gè)高頻電容C8，通過(guò)這個(gè)電容來(lái)衰減經(jīng)過(guò)耦合到散熱器上的騷擾信號(hào)，從而減小向外發(fā)射的騷擾電平。

對(duì)于開關(guān)電源的輻射騷擾，空間傳輸可以分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)。開關(guān)電源工作在高電壓、大電流下，既有電場(chǎng)又有磁場(chǎng)。輻射騷擾的方式可以是單點(diǎn)輻射或平行雙線環(huán)路的輻射。單點(diǎn)輻射強(qiáng)度與距離成反比，與發(fā)射源的功率的平方根成正比。而平行雙線環(huán)路的輻射源模擬差模電流回路，其輻射強(qiáng)度可以通過(guò)公式表示。

式中，A為差模電流所包圍的面積，I表示差模電流的大小，r為離輻射源的距離，λ為波長(zhǎng)?？梢钥闯?，差模輻射強(qiáng)度與差模電流的大小和差模電流所包圍的面積成正比，與距離成反比，與頻率的平方成正比。

因此，在高頻噪聲源處應(yīng)該加入高頻去耦電容，以防止高頻噪聲流入電源回路。

單導(dǎo)線的輻射公式可以用來(lái)估算共模電流產(chǎn)生的輻射大小。公式中，I表示共模電流的大小，r表示到共模電流源的距離，l表示導(dǎo)線的長(zhǎng)度，λ表示波長(zhǎng)。

兩根相近的導(dǎo)線，如果通過(guò)差模電流，則由于方向相反、大小相等而相互抵消，但如果通過(guò)共模電流，則兩根導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)相互疊加。因此，相同大小的共模電流產(chǎn)生的空間輻射比差模電流產(chǎn)生的空間輻射強(qiáng)得多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共模電流產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度比差模電流高上千倍。因此，開關(guān)電源的輻射主要是由共模電流引起的。

共模輻射有兩種驅(qū)動(dòng)模式，一種是電流驅(qū)動(dòng)模式，一種是電壓驅(qū)動(dòng)模式，在開關(guān)電源中，電壓驅(qū)動(dòng)模式起主要作用。

產(chǎn)生共模輻射的條件有兩個(gè)，一個(gè)是共模驅(qū)動(dòng)源，一個(gè)是共模天線。只要兩個(gè)金屬體之間存在射頻電位差，就形成了一副不對(duì)稱振蕩天線，其中兩個(gè)金屬導(dǎo)體分別是天線的兩個(gè)極。對(duì)于開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，這種情況如下圖所示：

圖中的C7表示開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關(guān)管D極相連的印制線是天線的兩個(gè)極?？梢院?jiǎn)化分析為下圖：

圖中的Vs表示干擾源，對(duì)于圖中的開關(guān)管VT2來(lái)說(shuō)，就是D極，L1和L2相當(dāng)于天線的兩個(gè)極。一個(gè)極是與開關(guān)管D極相連的印制線，另一個(gè)極是散熱器及與其相連的接地線，C是天線兩極之間的耦合電容，即開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。

共模輻射主要取決于天線上的共模電流的大小。因此，天線的兩個(gè)極L1和L2之間的耦合電容越大，輻射功率就越大。

此外，只有當(dāng)天線的兩個(gè)極的總長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的1/20時(shí)，才能向外輻射能量。并且當(dāng)天線的長(zhǎng)度與干擾源的波長(zhǎng)滿足一定條件時(shí)，輻射能量才會(huì)較大化。

要解決和減小開關(guān)電源的電磁輻射，首先要了解開關(guān)電源的輻射源在哪里。對(duì)于帶有功率因數(shù)矯正電路的前級(jí)開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，輻射騷擾源主要分布在以下幾個(gè)地方（相對(duì)于驅(qū)動(dòng)等輻射源來(lái)說(shuō)，這些源輻射較弱，可以忽略不計(jì)）：

1. PFC開關(guān)管

2. PFC升壓二極管

3. DC/DC開關(guān)管

4. DC/DC的整流管、續(xù)流管

5. PFC升壓電感

6. DC/DC變壓器

PFC開關(guān)管和DC/DC開關(guān)管的輻射原理如上述所述，屬于電壓驅(qū)動(dòng)模式的驅(qū)動(dòng)源。而升壓電感和變壓器屬于差模騷擾源，主要原因是漏感的存在導(dǎo)致電磁能量泄漏并向外發(fā)射。

PFC升壓二極管和DC/DC的整流二極管在反向截止時(shí)會(huì)有反向恢復(fù)電流。在上圖示例中，該反向恢復(fù)電流主要通過(guò)C6、VD1和VT2構(gòu)成回路，形成差模輻射。另外，由于引線電感的存在，部分電流會(huì)通過(guò)散熱器與開關(guān)管VT2之間的耦合電容C7流出，形成共模輻射。

DC/DC的整流二極管和續(xù)流管的反向恢復(fù)電流會(huì)導(dǎo)致二極管的反向電壓出現(xiàn)高壓尖峰。

總結(jié)

以上是對(duì)開關(guān)電源電磁輻射的重構(gòu)，內(nèi)容包括了差模電流和共模電流的輻射特性，共模電流輻射的基本模式，產(chǎn)生共模輻射的條件，以及開關(guān)電源的輻射源等。通過(guò)了解電磁輻射的原理和源頭，可以采取相應(yīng)的措施來(lái)減小開關(guān)電源的電磁輻射。

圖7中，變壓器（TI）和整流管（VD1）以及續(xù)流管（VD2）是開關(guān)電源中的關(guān)鍵組件。由于整流管和續(xù)流管在導(dǎo)通和截止之間會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，從而在二者的兩端產(chǎn)生比較高的電壓峰值。由于快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流非?？?，所以峰值電壓的頻率很高，即基波頻率在幾十MHz。這種高頻率的輻射能力很強(qiáng)，會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生干擾。圖8展示了整流管和續(xù)流管的電壓波形。

在圖7中，整流管和續(xù)流管安裝在散熱器上，散熱器與大地相接。由于二極管的陰極直接連接到管殼的散熱板上，管殼的散熱板與散熱器之間會(huì)形成耦合電容。整流管和續(xù)流管在截止時(shí)產(chǎn)生的高壓尖峰會(huì)通過(guò)耦合電容流動(dòng)，并產(chǎn)生共模輻射。輸出線和地分別是天線的兩個(gè)極。

開關(guān)電源還存在其他的輻射源，比如印制線與機(jī)殼之間分布電容引起的共模輻射以及內(nèi)部電路工作時(shí)產(chǎn)生的差模輻射等，但與前面提到的幾個(gè)輻射源相比，其輻射能力較弱。

為了解決輻射干擾問(wèn)題，可以采取以下措施：

1. 對(duì)于開關(guān)管引起的輻射發(fā)射，在減小傳導(dǎo)發(fā)射的同時(shí)，也會(huì)減小輸入端口的輻射發(fā)射。對(duì)于輻射源DC/DC開關(guān)管，可以采取與PFC開關(guān)管相同的措施，來(lái)減小驅(qū)動(dòng)源的電壓幅度，從而減小輻射發(fā)射的強(qiáng)度。

2. 對(duì)于DC/DC整流管和續(xù)流管的輻射源，除了增加吸收，減小二極管兩端的峰值電壓和在管腳上套飽和磁環(huán)以減小反向恢復(fù)電流外，還可以通過(guò)在整流管和續(xù)流管與散熱器的接觸點(diǎn)附近接上輸出地的電容來(lái)減小輻射。另外，還可以采用將輸出濾波電感放在輸出的負(fù)端，并將整流管和續(xù)流管的輸出直接接在輸出濾波電容的正端的電路形式，這樣可以減小流過(guò)陰極連接的散熱面與散熱器之間耦合電容向外流動(dòng)的共模電流，從而減小輸出端口的輻射電平。

機(jī)箱屏蔽也是解決開關(guān)電源輻射問(wèn)題的措施之一。除了輸入輸出端口向外輻射的輻射源外，開關(guān)電源的控制電路、驅(qū)動(dòng)、輔助電源、變壓器、電感等也會(huì)直接向空間輻射電磁能量，因此需要使用機(jī)箱進(jìn)行屏蔽。在選擇機(jī)箱材料、厚度和孔縫時(shí)，需要考慮對(duì)屏蔽效能的影響。

除了屏蔽外，還可以通過(guò)吸收損耗和反射損耗來(lái)減少輻射。當(dāng)電磁波進(jìn)入金屬屏蔽體后，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流并消耗掉成熱能，從而快速衰減。集膚深度δ與材料性能和頻率相關(guān)。另外，當(dāng)電磁波到達(dá)兩種介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)因阻抗不匹配而發(fā)生反射，引起能量損耗，稱為反射損耗。

測(cè)試輻射騷擾的頻率范圍為30MHz至1000MHz。只考慮30MHz以上的電磁屏蔽時(shí)，薄薄一層導(dǎo)體就可以實(shí)現(xiàn)高效的屏蔽效果。然而，對(duì)于較低頻率的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，需要考慮屏蔽材料的選擇和厚度。

在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)箱通常具有接線孔、通風(fēng)孔以及機(jī)箱各面之間的連接縫隙。如果機(jī)箱的孔縫尺寸不合理，將大大降低屏蔽效能。一般來(lái)說(shuō)，孔縫的尺寸應(yīng)小于波長(zhǎng)的十分之一到百分之一，以達(dá)到相應(yīng)的屏蔽效果。如果以上限頻率為1000MHz進(jìn)行考慮，孔縫的尺寸應(yīng)小于3至0.3cm。考慮到開關(guān)電源的電磁輻射頻率范圍通常在30MHz到500MHz之間，我們可以將屏蔽的上限頻率設(shè)定為500MHz來(lái)進(jìn)行考慮。