2022年高频开关电源设计方案中的电磁兼容性问题研究 .pdf

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1、1 / 40 高频开关电源设计中的电磁兼容性问题研究邓重一(罗定职业技术学院电子工程系，广东罗定 527200）摘要：说明了开关电源的组成及工作原理；从开关电源的各组成部分出发, 分析了电磁骚扰产生的机理，提出了应采取的相应抑制措施；讨论了电磁兼容设计中需要加以注意的问题。关键词：开关电源；电磁干扰；抑制措施；电磁兼容0 引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染

2、电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，电子产品的电磁兼容性EMC ）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合EMC 标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。1 开关电源的组成及工作原理1.1 组成开关电源的组成框图如图1 所示，它由以下几个部分组成： 1 ）主电路包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波； 2 ）控制与保护电路； 3 ）检测与显示电路除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据； 4 ）辅助电源。精选学习资料 - - - - -

3、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 40 页2 / 40 图 1 开关电源的组成框图1.2 开关稳压电源原理开关稳压电源电路如图2 所示。图 2 中的开关 K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在K接通时，输入电源Vin通过 K和滤波电路供电给负载RL，当K断开时，输入电源Vin便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图2 中，由储能电感L、滤波电容 C2和续流二极管 D组成的电路，就具有这种功能。在 AB间的电压平均值

4、 VAB可用式 1）表示。VAB=Vinton/ T=DVin1）式中： ton为 K导通时间；T为 K工作周期；D为占空比， D=ton/ T。图 2 开关稳压电源电路原理图由式1）可知，改变 D，即可改变 VAB。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整 D便能使输出电压 Vo维持不变。这种控制方法称为时间比率控制Time Ratio Control,缩写为 TRC ）。按 TRC 原理，它有 3 种方式： 1 ）脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation，缩写为 PWM）其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式； 2 ）脉冲频率调制 Pulse Frequency

5、 Modulation，缩写为PFM ）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 40 页3 / 40 3 ）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的结合。2 开关电源产生电磁干扰的机理开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。2.1 开关管与整流管开关管、整流管高频通断时所产生的dv/d t 、di /d t 是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很强的骚

6、扰源。2.2 高频变压器开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传

7、导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的 |d i /d t | 远比续流二极管反向恢复电流的|d i /d t | 大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|d v/d t | 和|d i /d t | 的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。2.3 杂散参数影响耦合通道的特性在传导骚扰频段 ；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗 (如容量很大的并联电容 。由于线路阻

8、抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3 所示。图 3 电源滤波器图中：差模抑制电容Cx1，Cx 20.1 0.47F；差模抑制电感L1，L2 100 130H；共模抑制电容 Cy1，Cy2 10000pF；共模抑制电感 L 15 25mH 。插入损耗的定义如图4 所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50，则滤波器的插入损耗为IL=20log2）设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的

9、工作频率，一般要低于10kHz，即 f =10kHz 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 40 页5 / 40 图 4 插入损耗的定义图 5 是差模与共模干扰的示意图。a）差模干扰 b）共模干扰图 5 差模与共模干扰示意图在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，所以，滤波电路可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI实验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。图 6 是两种滤波电路，它们的滤波效果如图7 实验曲线所示。a）滤波电

10、路 1上并联 0.01 F 电容；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 40 页7 / 40 4 ）在整流二极管管脚上套一小磁珠； 5 ）改善屏蔽体的接地。经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。3.3 传导骚扰的解决方法开关电源的传导骚扰通过输入电源线向外传播，既有差模骚扰、又有共模骚扰。传导骚扰的测试频率范围为0.1530MHz ，限值要求如表 1 所列。表 1 传导骚扰限值表电源端口 频率范围 /MHz 准峰值 dB/V 平均值 dB/V A 级0.150.5 79 66 0.5 30 73 60 B 级

11、0.150.5 66 56 0.5 5 56 46 530 60 50 在 0.151MHz的频率范围内，骚扰主要以共模的形式存在，在110MHz 的频率范围内，骚扰的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，骚扰的形式主要以共膜为主。差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态，当开关管开通时，流过电源线的电流线性上升，开关管关断时电流突变为零，因此，流过电源线的电流为高频的三角脉动电流，含有丰富的高频谐波分量，随着频率的升高，该谐波分量的幅度越来越小，因此差模骚扰随频率的升高而降低，输出回路的滤波电路如图8 所示，电容 C5与电感 L3组成低通滤波器，差模传导骚扰主要存在低频率段。图 8

12、输出回路的滤波电路产生共模骚扰的主要原因是电源与大地保护地）之间存在分布电容，电路中方波电压的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。如图8 所示， L、N为电源输入， C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2组成输入 EMI滤波器， DB1为整流桥， VT2为开关管，开关管安装在散热器上时，开关管的 D极与散热器相连，与散热器之间形成一个耦合电容，如图8 中的 C7所示， VT2工作在开关状态，其D极的电压为高频方波，方波的频率为开关管的开关频率，方波中的各次谐波就会通过耦合电容、L、N电源线构成回路，产生精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总

13、结 - - - - - - -第 7 页，共 40 页8 / 40 共模骚扰。电源与大地的分布电容比较分散，难以估算，但从图8 来看， VT2的D极与散热器之间耦合电容的作用最大，从DB1到电感 L3之间的电压为 100Hz ，而从 L3到 VD1和 VT2的 D极之间的连线的电压均为方波电压，含有大量的高次谐波。其次 L3的影响也比较大，但L3与机壳的距离比较远，分布电容比开关管和散热器之间的耦合电容小得多，因此，我们主要考虑开关管与散热器之间的耦合电容。3.4 接地技术的应用“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点

14、或平面”。3.4.1 设备的信号接地设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。在这里介绍浮地和混合接地，另外，还有单点接地和多点接地。 1 ）浮地采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。浮地的最大优点是抗干扰性能好。浮地的缺点是由于不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，可能引起剧烈的静电放电，而成为破环性很强的骚扰源。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄

15、放电阻，用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗，太低的阻抗会影响设备泄漏电流的合格性。 2 ）混合接地混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性，这在宽带敏感电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗，因此能够避免两模块之间的地环路形成。当将直流地和射频地分开时，将每个子系统的直流地通过 10100nF的电容器接到射频地上，这两种地应在一点有低阻抗连接起来，连接点应选在最高翻转速度di/dt信号存在的点。3.4.2 设备接大地在工程实践中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是： 1 ）保证设备操作人

16、员人身的安全； 2 ）泄放机箱上所积累的电荷，避免电荷积累使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 40 页9 / 40 3 ）避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。由此可见，设备接大地除了是对人员安全、设备安全的考虑外，也是抑制骚扰发生的重要手段。3.5 屏蔽技术抑制开关电源产生骚扰辐射的又一种方法是屏蔽，目的是切断电磁波的传播途径，用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题不会影响电路的正常工作。它用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行

17、屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽，另外，还要对整个开关电源进行电场屏蔽。屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁通路的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺钉间距要短。屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则，这些会成为骚扰发射天线，严重降低屏蔽效果。若对电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果；若对磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。对于开关电源来说，主要是做好机壳屏蔽，高频变压器屏

18、蔽，开关管和整流二极管的屏蔽，采用光电隔离技术。功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗, 为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要用导热性能好的绝缘片进行绝缘, 这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线, 因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰, 解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片 , 并把屏蔽片接到直流地上, 割断射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射电磁干扰对其他电子设备的影响, 可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩, 然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体

19、, 就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如 , 静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰。电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地 , 但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应 , 所以仍以接地为好 , 这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连, 可为信号回路提供稳定的参考电位。因此, 系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后, 最终都与大地相连。3.6 元器件布局及印制电路板布线技术开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小、通路的环路面积、以及电流频率的平方的乘积成正比，即辐射骚扰EIAf2。

20、运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，即是说开关电源的元器件彼此要紧密排列。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 40 页10 / 40 彼此靠近，且布线紧凑；在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。在设计印制电路板时，应尽量将相互关联的元器件摆放在一起，以避免因元器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰；再者将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。在印制板上，将正负载流导线分别紧

21、靠布在印制板的两面，并设法使之保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。实践证明，印制板的元器件布置和布线设计对开关电源EMC 性能有极大的影响，在高频开关电源中，由于印制板上既有电平为5V15V的小信号控制线，又有高压电源母线，同时还有一些高频功率开关、磁性元件，如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。另外，切忌两条印制信号线平行走线。如果平行走线无法避免，可通过以下方法来补救： 1 ）在两条信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用； 2 ）尽量拉开两条平行信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响；

22、 3 ）使两条平行的信号线流过的电流方向相反。布线间的电磁耦合是通过电场和磁场进行的，因此在布线时，应注意对电场与磁场耦合的抑制。对电场的抑制方法有： 1 ）尽量增大线间距离，使电容耦合为最小； 2 ）采用静电屏蔽，屏蔽层要接地； 3 ）降低敏感线路的输入阻抗。对磁场的抑制方法有： 1 ）减小骚扰源和敏感电路的环路面积； 2 ）增大线间距离，使耦合骚扰源与敏感电路间的互感尽可能地小； 3 ）最好使骚扰源与敏感电路呈直角布线，以便大大降低线路间耦合。另外，通过分析印制导线的特性阻抗，来选取印制导线的放置方式、长度、宽度以及布局方式。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感 L 组成，印制线 l 越短

23、，直流电阻 R就越小；同时增加印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻 R。印制线长度 l 越短，自感 L 就越小 , 而且增加印制线的宽度b 也可降低自感 L。而多根印制线的特性阻抗除由直流电阻R和自感 L 组成外，还有互感M的影响，互感 M除受印制线的长度和宽度影响外，印制线之间距离也起着重要的作用，增大两线的间距可减少互感。针对以上现象，在设计印制电路板时，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 40 页11 / 40 应尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其它印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降

24、，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，也可尽量加粗电源线和地线线条。在双面印制板设计中，除尽可能地加粗电源线和地线线条之外，还应在地线和电源线之间安装高频特性好的去耦电容。4 结语要提高开关频率，提高开关电源产品的质量，电磁兼容性问题必须重点考虑。本文是在分析了干扰产生机理以及经过大量实践的基础上，提出的行之有效的抑制措施。产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作要做。在设计时，还要从消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射, 切断电磁干扰的传播途径出发，使开关电源的电磁干扰降到最低点。作者简介邓重一 1962），男，学士，副教授。研究方向为检测技术，信

25、号处理，EDA 技术，电磁兼容技术。高频开关电源设计中的电磁兼容性问题研究 日期： 2005-11-15 来源：电源技术应用作者：邓重一 字体： 大中小 摘要： 说明了开关电源的组成及工作原理；从开关电源的各组成部分出发,分析了电磁骚扰产生的机理，提出了应采取的相应抑制措施；讨论了电磁兼容设计中需要加以注意的问题。关键词： 开关电源；电磁干扰；抑制措施；电磁兼容引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰EMI ）。 EMI 信号既具有很宽的

26、频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，电子产品的电磁兼容性 E精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 40 页12 / 40 MC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI ，提高电子产品的质量，使之符合EMC 标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性 问题进行了探讨。1 开关电源的组成及工作原理1.1 组成开关电源的组成框图如图1 所示，它由以下几个部分组成：1）主电路包括输入滤波器、整流与滤

27、波、逆变、输出整流与滤波；2）控制与保护电路；3）检测与显示电路除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据；4）辅助电源。图 21.2 开关稳压电源原理开关稳压电源电路如图2 所示。图2 中的开关K 以一定的时间间隔重复地接通和断开，在 K 接通时，输入电源Vin 通过 K 和滤波电路供电给负载RL，当 K 断开时，输入电源 Vin 便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，

28、共 40 页13 / 40 起来，在开关断开时，向负载释放。图2 中，由储能电感L、滤波电容C2 和续流二极管D 组成的电路，就具有这种功能。在AB 间的电压平均值VAB 可用式 1）表示。VAB=Vinton/T=DVin 1）式中： ton 为 K 导通时间；T 为 K 工作周期；D 为占空比， D=ton/T 。由式 1）可知，改变D，即可改变VAB 。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D 便能使输出电压Vo 维持不变。这种控制方法称为时间比率控制Time Ratio Control,缩写为 TRC ）。按 TRC 原理，它有3 种方式：1）脉冲宽度调制Pulse Width Mod

29、ulation，缩写为PWM ） 其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式；2）脉冲频率调制Pulse Frequency Modulation，缩写为 PFM ） 导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式；3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的结合。图 32 开关电源产生电磁干扰的机理开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。2.1 开关管与整流管开关管、整流管高频通断时所产生的dv/dt 、di/dt 是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很

30、强的骚扰源。2.2 高频变压器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 40 页14 / 40 开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环

31、路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的|di/dt| 远比续流二极管反向恢复电流的|di/dt| 大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt| 和|di/dt| 的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。2.3 杂散参数影响耦合通道的特性在传导骚扰频

32、段；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI 滤波器的输入阻抗应该是低阻抗 (如容量很大的并联电容。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI 滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图 3 所示。图中：差模抑制电容Cx1 ， Cx 20.1 0.47F；差模抑制电感L1，L2 100 130H ；共模抑制电容Cy1 ，Cy2 上并联 0.01 F电容；4）在整流二极管管脚上套一小磁珠；5）改善屏蔽体的接地。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 40 页18 / 40 经过上述改进后，该

33、电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。3.3 传导骚扰的解决方法开关电源的传导骚扰通过输入电源线向外传播，既有差模骚扰、又有共模骚扰。传导骚扰的测试频率范围为0.15 30MHz ，限值要求如表1 所列。表 1 传导骚扰限值表电源端口频率范围 /MHz 准峰值 dB/V平均值 dB/VA 级0.15 0.5 79 66 0.5 30 73 60 B 级0.15 0.5 66 56 0.55 56 46 530 60 50 在 0.15 1MHz 的频率范围内，骚扰主要以共模的形式存在，在110MHz 的频率范围内，骚扰的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，骚扰的形式主要以共膜为主。差模骚

34、扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态，当开关管开通时，流过电源线的电流线性上升，开关管关断时电流突变为零，因此，流过电源线的电流为高频的三角脉动电流，含有丰富的高频谐波分量，随着频率的升高，该谐波分量的幅度越来越小，因此差模骚扰随频率的升高而降低，输出回路的滤波电路如图8 所示，电容C5 与电感 L3 组成低通滤波器，差模传导骚扰主要存在低频率段。产生共模骚扰的主要原因是电源与大地。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出

35、印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。为电源开关或同步整流功能的设计选择合适的MOSFET 也能有助于减少电磁干扰，当MOSFET 器件断电时，低的 C oss(象FDS6690A 能减少尖峰脉冲的干扰。主要的电流回路三种主要的开关电源结构的电流回路，注意它们的区别。每一个开关电源都有四个电流回路，回路之间保持相对独立，在一个良好布局的PCB ，其重要性顺序如下：电源开关交流回路输出整流交流回路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 40 页24 / 40 输入信号源电流回

36、路输出负载电流回路输入的信号源和输出负载电流回路通常不会出现问题，这些回路中的电流波形为大的直流电流和小的交流电流的叠加。这两个回路中通常需要特殊的滤波器防止交流噪声泄漏到周围环境中，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，但无法提供开关电源所需的高频电流脉冲。滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，如果在输入/ 输出回路和电源开关/ 整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将“流经”输入或输出滤

37、波电容并辐射到环境中去。两种基本 PWM 工作模式的电流波形产生比开关频率高很多的谐波电流波形。电源开关和整流器的交流回路包含高幅梯形电流波形。这些波形中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，这些交流电流的峰值幅度可高达持续输入/ 输出直流电流幅度的5 倍，过渡时间通常约为50ns，这两个回路最容易产生电磁干扰。设计者必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件(滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短确保缩短电流路径的长度。这些回路中的印制线对转换器测量效率影响也最大。选择诸如DPAK 或 SO-8的封

38、装形式，可在散热同时进行信号传输，Fairchild及其他供应商的产品可将散热和信号传输的功能组合在一起。接地很重要接地是前面讨论的电流回路的底层支路，但作为电路的公共参考点却起着很重要的作用。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。三种主要的开关电源结构的接地方案。设计时应确定已考虑了另外的“控制地”，它是连接到控制IC 和所有相关的无源器件的接地点，并且极为敏感，因此只有在布放好其他交流回路后再放置它。控制地与其它接地相连的点是非常特殊的，通常，连接点位于控制IC 感应小电压的所有元件的公共端。这些连接点包括电流模式开关变换器中的电流敏感电阻的公共端和输出

39、电阻分压器的底端，其作用是在敏感元件和对电压误差或电流放大灵敏的输入之间建立低噪声的Kelvin连接。如果控制地连接到任何其它点，在那些额外回路中产生的噪声会被叠加到控制信号上，反而会影响控制集成电路的工作。设计者要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，通常，滤波电容的公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点。高电压交流节点每一个开关电源内有一个节点，与其它节点相比，它的交流电压最高，这一节点是出现在电源开关管漏极 ( 或集电极 的交流节点。在非隔离的DC/DC变换器中，这一节点也可连接到电感及接到(或输出到 整精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳

40、总结 - - - - - - -第 24 页，共 40 页25 / 40 流器；在隔离变压器的结构中，这一节点与变压器的线圈分开。它在电性能上仍表现为公共节点，但仅通过变压器反映，每一个要分别进行设计。这一节点会出现不同的问题，它的交流电压可通过电容耦合到附近不同金属层的印制线上，并辐射出电磁干扰。然而，印制线通常还必须为电源开关管和整流器散热，特别是表面安装的电源。从电气角度来看，印制线应尽可能小，但从散热角度看则应大一些。在表面安装的设计中，有一个好的折中方法，制作和底层 PCB板相同的顶层PCB板，并通过许多孔( 或过孔 连接在一起。增强 PCB板的散热能力并减少其它印制线容性耦合的好方

41、法。这项技术大大地减少了对其它印制线的容性耦合，但却成倍地增加了散热量和表面区域。以一个SO8封装的 N 沟道功率 MOSFET( 诸如 FDS6670A 为例，在上层仅有325 mm 2的覆铜区域，与空气接触的热电阻是 50(C/W，在 PCB的底层加另一个相同的板并通过8 个过孔连接在一起，热电阻降到39(C/W，因为在板子的另一侧不存在载有不同信号的金属线，电容的容量将下降一个数量级以上。在过孔应用中，必须使其它信号和接地远离带有高电压的交流印制线和用来散热的部分。在离线的变换器中，接地线可能从这个节点耦合能量，并使其通过交流插头从产品中导出，这就产生了过多的传导电磁干扰。并联滤波电容电

42、容经常并联使用以减少滤波电容的并联等效串联电阻(ESR ，这一做法也使每一个电容能分流一部分波纹电流，以使每一个电容都能在其波纹电流的规范内正常工作。只有当电容间的印制线阻抗及每个波纹电流源相同时，才会“平均分流”波纹电流，这就要求在整流器或电源开关管之间电容间的印制线必须等长且等宽。并联电容的正确放置是开关电源设计的关键之一。按列放置电容并顺序连线非常美观但这种布局会使距离电源开关或整流器最近的电容比其它电容器承受更多的波纹电流，从而缩短该电容的使用寿命。开关电源的 PCB 设计规范发表时间 : 2006 年 1 月 25日 阅读数： 410 在任何开关电源设计中，PCB 板的物理设计都是最

43、后一个环节，如果设计方法不当，PCB 可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 40 页26 / 40 事项进行分析 : 一、从原理图到PCB 的设计流程建立元件参数输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线 -验证设计 复查 -CAM 输出。二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距

44、，一般情况下将走线间距设为 8mil 。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。三、元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： (1. 电源开关交流回路(2.

45、 输出整流交流回路(3. 输入信号源电流回路(4. 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 40 页27 / 40 起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关

46、交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5 倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下： 放置变压器 设计电源开关电流回路 设计输出整流器电流回路 连接到交流电源电路的控制电路 设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功

47、能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1 首先要考虑PCB 尺寸大小。 PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为 3： 2或 4： 3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 40 页28 / 40 (2 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集.(3 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上，尽量减少和缩短各

48、元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC 。(4 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。(5 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(6 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。(7 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。四、布线开关电源中包含有高频信号，PCB 上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从

49、邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 40 页29 / 40 流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和电流的方向

50、一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：1. 正确选择单点接地通常，滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本开关电源中，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采