開關電源電磁兼容設計經驗總結，這麼多內容，總有你想學的知識點

電磁兼容學是一門綜合性學科，它涉及的理論包括數學、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通信理論、材料科學、生物醫學等。

進行開關電源的電磁兼容性設計時，首先進行一個系統設計，明確如下幾點：

1. 明確系統要知足的電磁兼容標準；

2. 肯定系統內的關鍵電路部分，包括強幹擾源電路、高度敏感電路；

3. 明確電源設備工做環境中的電磁干擾源及敏感設備；

4. 肯定對電源設備所要採起的電磁兼容性措施。

1、DC/DC變換器內部噪聲干擾源分析

1．二極管的反向恢復引發噪聲干擾

在開關電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等，因爲這些二極管都工做在開關狀態，如圖所示，在二極管由阻斷狀態到導通工做過程當中，將產生一個很高的電壓尖峯VFP；在二極管由導通狀態到阻斷工做過程當中，存在一個反向恢復時間trr，在反向恢復過程當中，因爲二極管封裝電感及引線電感的存在，將產生一個反向電壓尖峯VRP，因爲少子的存儲與複合效應，會產生瞬變的反向恢復電流IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產生的根源。

電流電壓波形圖

二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

2．開關管開關動做時產生電磁干擾

二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

在正激式、推輓式、橋式變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產生很強的電磁干擾，在反激變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關管在開通時，因爲開關時間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產生很大的dV/dt突變和很高的尖峯電壓，在開關管的關斷時，因爲關斷時間很短，將產生很大的di/dt突變和很高的電流尖峯，這些電流、電壓突變將產生很強的電磁干擾。

3．電感、變壓器等磁性元件引發的電磁干擾：在開關電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號經過寄生電容耦合到次邊；功率變壓器因爲繞制工藝等緣由，原次邊耦合不理想而存在漏感，漏電感將產生電磁輻射干擾，另外功率變壓器線圈繞組流太高頻脈衝電流，在周圍造成高頻電磁場；電感線圈中流過脈動電流會產生電磁場輻射，並且在負載突切時，會造成電壓尖峯，同時當它工做在飽和狀態時，將會產生電流突變，這些都會引發電磁干擾。

4．控制電路中週期性的高頻脈衝信號如振盪器產生的高頻脈衝信號等將產生高頻高次諧波，對周圍電路產生電磁干擾。

5．此外電路中還會有地環路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。

6．開關電源中的佈線設計很是重要，不合理佈線將使電磁干擾經過線線之間的耦合電容和分佈互感串擾或輻射到鄰近導線上，從而影響其它電路的正常工做。

7．熱輻射產生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換，這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩定工做。

2、外界的電磁干擾

對於某一電子設備，外界對其產生影響的電磁干擾包括：電網中的諧波干擾、雷電、太陽噪聲、靜電放電，以及周圍的高頻發射設備引發的干擾。

3、電磁干擾的後果

電磁干擾將形成傳輸信號畸變，影響設備的正常工做。對於雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾，嚴重時會損壞設備。而對於某些設備，電磁輻射會引發重要信息的泄漏。

4、開關電源的電磁兼容設計

瞭解了開關電源內部及外部電磁干擾源後，咱們還應知道，造成電磁干擾機理的三要素是還有傳播途徑和受擾設備。所以開關電源的電磁兼容設計主要從如下三個方面入手：1，減少干擾源的電磁干擾能量；2，切斷干擾傳播途徑；3，提升受擾設備的抗干擾能力。

正確瞭解和把握開關電源的電磁干擾源及其產生機理和干擾傳播途徑，對於採起何種抗干擾措施以使設備知足電磁兼容要求很是重要。因爲干擾源有開關電源內部產生的干擾源和外部的干擾源，並且能夠說干擾源沒法消除，受擾設備也老是存在，所以能夠說電磁兼容問題老是存在。

下面以隔離式DC/DC變換器爲例，討論開關電源的電磁兼容性設計：

1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設計

如圖所示，FV1爲瞬態電壓抑制二極管，RV1爲壓敏電阻，都具備很強的瞬變浪涌電流的吸取能力，能很好的保護後級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1爲直流EMI濾波器，必須良好接地，接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，纔能有效的切斷傳導干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L一、C1組成低通濾波電路，當L1電感值較大時，還需增長如圖所示的V1和R1元件，造成續流回路吸取L1斷開時釋放的電場能，不然L1產生的電壓尖峯就會造成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好爲閉合磁芯，帶氣隙的開環磁芯的漏磁場會造成電磁干擾，C1的容量較大爲好，這樣能夠減少輸入線上的紋波電壓，從而減少輸入導線周圍造成的電磁場。

DC/DC變換器輸入濾波電路

2.高頻逆變電路的電磁兼容設計，如圖所示，C二、C三、V二、V3組成的半橋逆變電路，V二、V3爲IGBT、MOSFET等開關元件，在V二、V3開通和關斷時，因爲開關時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，迴路會產生較高的di/dt、dv/dt突變，從而造成電磁干擾，爲此在變壓器原邊兩端增長R四、C4構成的吸取回路，或在V二、V3兩端分別並聯電容器C五、C6，並縮短引線，減少ab、cd、gh、ef的引線電感。在設計中，C四、C五、C6通常採用低感電容，電容器容量的大小取決於引線電感量、迴路中電流值以及容許的過沖電壓值的大小，LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小，其中L爲迴路電感，I爲迴路電流，△V爲過沖電壓值。

爲減少△V，就必須減少迴路引線電感值，爲此在設計時常使用一種叫「多層低感複合母排」的裝置，由我所申請專利的該種母排裝置能將回路電感下降到足夠小，達10nH級，從而達到減少高頻逆變回路電磁干擾的目的。

開關管電流、電壓波形比較圖

從電磁兼容性設計角度考慮，應儘可能下降開關管V二、V3的開關頻率，從而下降di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關變換技術能有效下降高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開關動做是產生電磁噪聲的根本，所以儘量選用產生電磁噪聲小的電路拓撲，如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產生電磁噪聲要小。

如圖所示增長吸取電路後開關管上的電流、電壓波形與沒有吸取回路時的波形比較。

半橋逆變電路

3.高頻變壓器的電磁兼容設計

在高頻變壓器T1的設計時，儘可能選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。

如圖所示，C七、C8爲匝間耦合電路，C11爲繞組間耦合電容，在變壓器繞制時，儘可能減少分佈電容C11，以減少變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。另外爲進一步減少電磁干擾，可在原、次邊繞組間增長一個屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對屏蔽層間就造成耦合電容C九、C10，高頻干擾電流就經過C九、C10流到大地。

因爲變壓器是一個發熱元件，較差的散熱條件必然致使變壓器溫度升高，從而造成熱輻射，熱輻射是以電磁波形式對外傳播，所以變壓器必須有很好的散熱條件。

一般將高頻變壓器封裝在一個鋁殼盒內，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，並灌注電子硅膠，這樣變壓器便可造成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果，減少電磁輻射。

高頻變壓器的電磁兼容設計

1. 輸出整流電路電磁兼容設計

如圖所示爲輸出半波整流電路，V6爲整流二極管，V7爲續流二極管，因爲V六、V7工做於高頻開關狀態，所以輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7，R五、C12和R六、C13分別鏈接成V六、V7的吸取電路，用於吸取其開關動做時產生的電壓尖峯，並以熱的形式在R五、R6上消耗。

減小整流二極管的數量就可減少電磁干擾的能量，所以同等條件下，採用半波整流電路比採用全波整流和全橋整流產生的電磁干擾要小。

爲減少二極管的電磁干擾，必須選用具備軟恢復特性的、反向恢復電流小、反向恢復時間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是多數載流子導流，不存在少子的存儲與複合效應，於是也就不會有反向電壓尖峯干擾，但實際上對於較高反向工做電壓的肖特基二極管，隨着電子勢壘厚度的增長，反向恢復電流會增大，也會產生電磁噪聲。所以在輸出電壓較低的狀況下選用肖特基二極管做直流二極管產生的電磁干擾會比選用其它二極管器件要小。

輸出整流電路電磁兼容設計

1. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設計

輸出直流濾波電路主要用於切斷電磁傳導干擾沿導線向輸出負載端傳播，減少電磁干擾在導線周圍的電磁輻射。

如圖所示，L二、C1七、C18組成的LC濾波電路，能減少輸出電流、電壓紋波的大小，從而減少經過輻射傳播的電磁干擾，濾波電容C1七、C18儘可能採用多個電容並聯，減少等效串聯電阻，從而減少紋波電壓，輸出電感L2值儘可能大，減少輸出紋波電流的大小，另外電感L2最好使用不開氣隙的閉環磁芯，最好不是飽和電感。在設計時，咱們要記住，導線上有電流、電壓的變化，在導線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會沿空間傳播造成電磁輻射。

C19用於濾除導線上的共模干擾，儘可能選用低感電容，且接線要短，C20、C2一、C2二、C23用於濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。

Z3爲直流EMI濾波器，根據狀況使用或不使用，是採用單級仍是多級濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。

輸出整流電路電磁兼容設計

1. 接觸器、繼電器等其它開關器件電磁兼容設計

繼電器、接觸器、風機等在掉電後，其線圈將產生較大的電壓尖峯，從而產生電磁干擾，爲此在直流線圈兩端反並聯一個二極管或RC吸取電路，在交流線圈兩端並聯一個壓敏電阻用於吸取線圈掉電後產生的電壓尖峯。同時要注意若是接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源爲同一個電源，之間最好經過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動做時也將產生電磁干擾，所以要在觸頭兩端增長RC吸取回路。

1. 開關電源箱體結構的電磁兼容設計

材料選擇：沒有「磁絕緣」材料，電磁屏蔽是利用「磁短路」的原理，來切斷電磁干擾在設備內部與外界空氣中的傳播路徑。在進行開關電源的箱體結構設計時，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對於屏蔽材料的選擇原則是，當干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導率的金屬材料，屏蔽效果較好；當干擾電磁波的頻率較低時，要採用高導磁率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場合下，若是要求對高頻和低頻電磁場都具備良好的屏蔽效果時，每每採用高電導率和高導磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。

孔洞、縫隙、搭接處理方法：採用電磁屏蔽方法無需從新設計電路，即可達到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個無縫隙、無孔洞、無透入的導電連續體，低阻抗的金屬密封體，可是一個徹底密封的屏蔽體是沒有實用價值的，由於在開關電源設備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風孔等孔洞，以及箱體結構部件之間的搭接縫隙，若是不採起措施將會產生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能下降、甚至徹底喪失。所以在開關電源箱體設計時，金屬板之間的搭接最好採用焊接，沒法焊接時要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開孔要小於要屏蔽的電磁波的波長的1/2，不然屏蔽效果將大大下降；對於通風孔，在屏蔽要求不高時可使用穿孔金屬板或金屬化絲網，在要求既要屏蔽效能高，又要通風效果好時選用截至波導管等方法，提升屏蔽體的屏蔽效能。若是箱體的屏蔽效能仍沒法知足要求時，能夠在箱體上噴塗屏蔽漆。除了對開關電源整個箱體的屏蔽以外，還能夠對電源設備內部的元件、部件等干擾源或敏感設備進行局部屏蔽。

在進行箱體結構設計時，針對設備上全部會受到靜電放電試驗的部分，設計出一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，而且要保證接地線的載流能力，同時將敏感電路或元件遠離這些泄放回路，或對其採用電場屏蔽措施。對於結構件的表面處理，通常主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這須要從導電性能、電化學反應、成本及電磁兼容性等多方面考慮後作出選擇。

1. 元器件佈局與佈線中的電磁兼容設計：

對於開關電源設備內部元器件的佈局必須總體考慮電磁兼容性的要求，設備內部的干擾源會經過輻射和串擾等途徑影響其它元件或部件的工做，研究代表，在離干擾源必定距離時，干擾源的能量將大大衰減，所以合理的佈局有利於減少電磁干擾的影響。

EMI輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機箱的入口處，並保證其輸入線與輸出線電磁環境的屏蔽隔離。

敏感電路或元件要遠離發熱源。

對於開關電源產品，咱們通常須遵照如下佈線原則：

9.1 主電路輸入線與輸出線分開走線。

9.2 EMI濾波器輸入線與輸出線分開走線。

9.3 主電路線與控制信號線分開走線。

9.4 高壓脈衝信號線最好分開單獨走線。

9.5 分開佈線的原則是避免平行走線，能夠垂直交叉，線束之間距離在20mm以上。

9.6 電纜不要貼着金屬外殼和散熱器走線，保證必定距離。

9.7 雙絞線、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設計中的使用

雙絞線的使用

雙絞線、同軸電纜都能有效的抑制電磁干擾。在脈衝信號傳輸線路中常使用雙絞線，控制輔助電源線和傳感器信號線最好用雙絞屏蔽線。由於雙絞線兩根線之間有很小的迴路面積，並且雙絞線的每兩個相鄰的迴路上感應出的電流具備大小相等、方向相反，產生的磁場相互抵消，這樣就能夠減少因輻射引發的差模干擾，不過雙絞線絞合的圈數最好爲偶數，且每單位波長所絞合的圈數愈多，消除耦合的效果愈好。使用時注意雙絞線和同軸電纜兩端不能同時接地，只能單端接地，而對屏蔽線，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場還能屏蔽磁場，單端接地只能屏蔽電場。使用同軸電纜時還要注意，其屏蔽層必須徹底包覆信號線接地，即接頭與電纜屏蔽層必須3600搭接，纔能有效屏蔽電磁場，如圖所示，信號線裸露部分仍能夠與外界造成互容耦合，下降屏蔽效能。

帶狀電纜適合於短距離的信號傳輸，咱們知道爲了下降差模信號的電磁輻射，必須減少信號線和信號迴流線所造成的迴路面積，所以在設計帶狀電纜佈局時，最好將信號線與接地線間隔排列。如圖所示，其中S爲信號線，G爲信號地線。

信號線與接地線間隔排列

10．元器件的選擇

熱傳播的方式有傳導、對流和輻射，熱輻射是以電磁波的形式向空中傳播的，熱傳導也會向周圍其它元件傳導熱量，這些都會影響其它元器件或電路的正常工做，所以從元器件熱設計方面考慮要儘可能留有較大餘量，以下降元器件的溫升及器件表面的溫度，除元器件對溫升有特殊要求外，通常開關電源要求內部元件溫度小於90℃，內部環境溫度不超過65℃，以減少熱輻射干擾。

對數字集成電路，從電磁兼容性角度看應多選用高噪聲容限的CMOS器件代替低噪聲容限的TTL器件。

儘可能使用低速、窄帶元件和電路。

選用分佈電感較小的SMP元件，選用高頻特性好、等效串聯電感低的陶瓷介質電容器、高頻無感電容器、三端電容器和穿心電容器等做濾波電容。

11.控制電路及PCB的電磁兼容設計

信號地是指信號電流流回信號源的一條低阻抗路徑。在設計中每每因爲接地方法不恰當而產生地環路干擾和公共阻抗耦合干擾。所以要合理選用接地方式，接地的方式有單點接地、多點接地和混合接地。

地環路干擾：常發生在經過較長電纜鏈接，地相距較遠的設備之間。緣由是因爲地環路電流的存在，使兩個設備的地電位不一樣。一般用光電耦合器或隔離變壓器進行「地」隔離，消除地環路干擾。因爲隔離變壓器繞組之間寄生電容較大，即便採起屏蔽措施的隔離變壓器一般也只用於1MHZ如下的信號隔離，超過1MHZ時多采用光電耦合器隔離。

公共阻抗耦合：當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就會發生公共阻抗耦合。因爲地線是信號迴流線，一個電路的工做狀態必然會影響地線電壓，當兩個電路共用一段地線時，地線的電壓就會同時受到兩個電路工做狀態的影響。

可見不管是地環路干擾仍是公共阻抗耦合問題都是因爲地線阻抗引發的，所以在設計時必定要考慮儘可能下降地線阻抗與感抗。

如何減少控制電源噪聲：電源線上有電流突變，就會產生噪聲電壓。在靠近芯片的位置增長解耦電容，能有效減少噪聲。若是是高頻電流負載，則採用多個同容量的高頻電容和無感電容並聯能得到更好的效果。注意電容容量並不是越大越好，主要根據其諧振頻率、提供脈衝電流頻率來選擇。

印製板合理的佈置地線將能有效的減少印製板的輻射以及提升其抗輻射干擾能力，請注意

l 佈置地線網絡：在雙面板的兩面佈置最多的平行地線。

l 對於一些關鍵信號（如脈衝信號和對外界較敏感的電平信號）的地線的佈置必須儘可能縮小引線長度，減少信號的迴流面積。若是是雙面板，地線和信號線能夠在印製板兩面並聯平行走線。

l 如果多層線路板，且既有數字地又有模擬地，則數字地和模擬地必須佈置在同一層，減少它們之間的耦合干擾。

l 在實際電路中常發生公共阻抗耦合，所以要根據實際狀況選擇正確的接地方式。

12.其它方法

12.1.IGBT，MOSFET等開關元件的驅動脈衝信號增長一個-5V～-10V的負電平，提升驅動信號的抗干擾能力。或驅動信號採用光纖傳輸技術，光纖適宜於遠距離傳輸，具備抗干擾能力強的特色。

12.2.經過軟件的編程技術，提升開關電源的抗干擾能力，爲了防止電平信號中的毛刺，引發軟件的誤判斷及誤動做，能夠經過屢次採樣等數字濾波方法來濾除干擾信號。

五 結語

本文詳細分析了隔離式DC/DC變換器存在的電磁干擾源及其產生機理，並詳細介紹了針對其主電路和控制電路的電磁兼容設計方法，這些方法對其它電子產品的電磁兼容設計具備必定的指導做用。