高頻開關電源的電磁兼容解決辦法

隨著（zhe）高頻開關電源技術的不斷完善和日趨成熟，其在鐵路（lù）信號供電係統中的應（yīng）用也在迅速增加。與此同時，高頻開關電源自身存在的電磁幹擾（EMI）問題如果處（chù）理不好，不僅容易對電網造成汙染，直接（jiē）影響其他用電設備的正常工作，而且傳入空間也易形成（chéng）電磁汙染，由（yóu）此產生了高（gāo）頻（pín）開關電源的電（diàn）磁兼容（EMC）問題。

高頻開（kāi）關電源等電子產品電磁兼容重要性的凸現，我們應該在（zài）產品設計初期（qī）階段，同（tóng）時進行電磁兼容設計，此時結構和電路方案尚未定型，可選用的方法較多。如果等到生產（chǎn）階段再去解決，不（bú）但給技術和工藝上帶來很大難度，而且會造成人力、財力和時間的極大浪費。所以，要走出設計修改（gǎi）法的誤區，正確運用係統設計（jì）法。

本文重點對鐵路信號電源屏使用的（de）1200W（24V/50A）高頻開關電源模塊所（suǒ）存在的電磁幹（gàn）擾超標問題進行分析，並提出改進措施。高頻開關電源產生的電磁幹擾可分為傳導幹（gàn）擾（rǎo）和輻射幹擾兩大類。傳導（dǎo）幹擾通過交流電源（yuán）傳播，頻率低於30MHz；輻（fú）射幹擾通過空間傳播，頻率在30～1000MHz。

高（gāo）頻開關電源的電路結（jié）構

高頻開關電源的主拓撲電路（lù）原理，如圖1所示。

高（gāo）頻開關電源電磁幹擾源的分析

在圖1a電路中的整流器、功率管Q1，在圖1b電路中的功率管Q2～Q5、高頻變壓器T1、輸（shū）出整流二極（jí）管D1～D2都是高頻（pín）開關電源工作時產生電磁幹擾的主要幹擾源，具體分析如下。

（1）整流器整流過程產生的高次諧波會沿著電源線產生傳（chuán）導幹擾和（hé）輻射（shè）幹擾。

（2）開關功率管工作在（zài）高頻導通和截止的狀態（tài），為了降低開關損耗，提高電源功率密度和整體效（xiào）率，開關管的（de）打開和（hé）關斷的速度越來越快，一般在幾微秒，開關管以這樣的速（sù）度打（dǎ）開和關斷，形成了浪湧電（diàn）壓和浪（làng）湧（yǒng）電流，會產生高頻高壓的尖峰諧波，對空間（jiān）和交流輸入線形成（chéng）電磁幹（gàn）擾。

（3）高頻變壓器T1進行功率變換的同時，產生了（le）交變的電磁場，向空間輻射電磁波，形成了輻射幹擾。變壓器的（de）分布電感和電（diàn）容產生振蕩，並通過變壓器初次級（jí）之間的分布電容耦（ǒu）合到交流（liú）輸入回路，形成傳導幹擾。

（4）在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流二極管工作（zuò）在（zài）高頻開關狀態，也是一種電磁幹擾源。

由於二極管的（de）引線寄生電感、結（jié）電容的存在以及反向恢複電（diàn）流的影（yǐng）響，使之工作在很高的電壓和電流變化率下，二極（jí）管反向恢複的時間越長（zhǎng），則尖峰電流的影響也越（yuè）大，幹擾信號就越強，由此產生高頻（pín）衰減振蕩，這是（shì）一種差模傳導幹擾。

所有產生的（de）這些電磁信號，通過電源線、信號（hào）線、接地線等金屬導線傳輸到外部電源形成（chéng）傳導幹擾。通過導線和器件輻射或通過充當（dāng）天線的互連線輻射的幹擾信號造成輻射幹擾。

針對高頻開關電源（yuán）電磁幹（gàn）擾的電磁兼容設計

（1）開關電源入口加電源濾波器，抑製開（kāi）關電源所產生的高次（cì）諧波。

（2）輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環，一方麵抑製電源線內的高（gāo）頻共模，另一方麵減（jiǎn）小通過電源線輻射（shè）的幹擾能量。

（3）電源線盡可能（néng）靠近地線，以減小差模輻射的（de）環路麵積；把輸入交流電源（yuán）線和輸出直流電源線分開（kāi）走線，減小輸入輸出間（jiān）的電磁耦合；信號線遠離電源線，靠近（jìn）地線（xiàn）走線，並（bìng）且走線不（bú）要過長，以減小回路的環麵積；PCB板上的線條（tiáo）寬（kuān）度不能突變，拐角采用圓弧過渡，盡量不采（cǎi）用直角或尖（jiān）角。

（4）對芯（xīn）片和MOS開關管（guǎn）安裝去耦電容，其位置盡可能（néng）地靠近並聯（lián）在器件的（de）電源和接地管腳。

（5）由於接地導線存在（zài）Ldi/dt，PCB板和機殼間接地采用銅柱連接，對不適合用銅（tóng）柱連接的采用較粗的導線，並就近接地。

（6）在開關管以及輸出（chū）整流二極管（guǎn）兩（liǎng）端加RC吸收電路，吸收浪湧電壓。

高頻開關電源電（diàn）磁幹擾（rǎo）測試曲線

在3m法電波暗室對試（shì）驗樣機進（jìn）行測試，其L、N線（xiàn）的傳導（dǎo）幹擾（rǎo）檢測曲線如圖2、3所示，輻（fú）射幹擾的（de）垂直極化掃描曲線如圖4、5所示。

根據鐵路客運專線標準規定，傳導幹擾限值和輻（fú）射幹擾限值如表1、2所示。

本開關電源一次通過了（le）傳導幹（gàn）擾（rǎo）的測試，測試波形如圖2、3所示。輻射幹擾高頻段230～1000MHz也測試合格，如圖5所示。隻是在30～200MHz頻段範圍內的垂直極化指標超標，最大超標20dB，如圖4所示。

由測試結果可以看出，通過（guò）電磁兼容（róng）設計在傳導幹擾抑製方麵取得了良好效（xiào）果，在高頻段輻射幹擾的設計也達到了預期效果，下麵（miàn）還需對（duì）在30～200MHz頻段範圍內的輻射幹擾進行改進（jìn）設計。

高頻開關電源輻射幹擾的改（gǎi）進設計

由圖4可以看出（chū），本開（kāi）關電源存在輻射幹擾超標的現象，為了抑製電（diàn）磁幹擾而使用鐵氧（yǎng）體元件，價格便宜，效果明顯。鐵氧體（tǐ）元件等效電路是電感L和電阻R組（zǔ）成的串聯電路，L和R都是頻率（lǜ）的函數。低頻時，R很小，L起主要作用，電（diàn）磁幹擾被（bèi）反射而受到抑製；高頻（pín）時，R增大，電磁幹擾被吸收並轉換（huàn）成熱能，使高頻幹（gàn）擾大大衰減。不同的鐵氧體抑（yì）製元（yuán）件，有不同的最佳抑製頻率範圍。總之，選（xuǎn）擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條：

（1）鐵氧體的體積越大，抑（yì）製效果（guǒ）越好（hǎo）；
（2）在體積一定時，長而細的（de）形狀比短而粗的抑製效果好；
（3）內徑越小抑製效（xiào）果也越好；
（4）橫截麵越大，越不易飽和；
（5）磁導率越高，抑製（zhì）的頻率就越低；
（6）鐵（tiě）氧體抑製元件應當安裝在靠近幹擾源的地方；
（7）在輸入、輸出導線（xiàn）上安裝時，應盡量靠近（jìn）屏蔽殼的進、出口處。

根據上麵對高頻開關（guān）電源幹擾源和鐵氧體元件（jiàn）的分析，決定在靠近幹擾源的地方（fāng）套磁珠與磁環。圖1a中電容C1的接地端套鐵（tiě）氧（yǎng）體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整（zhěng）流（liú）二極（jí）管D1和D2使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧（yǎng）體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環（φ13.5×φ7.5×7）繞兩（liǎng）圈且靠近出口處（chù）。經過處理（lǐ）後重新測試，其掃描曲線如圖6所示。由此可（kě）見，大（dà）部分頻段的輻射幹擾已被抑製到標準要求以下，但在頻率81、138、165kHz附（fù）近處仍然超標。

根據（jù）對開關電源電磁幹擾源的分析可知，在圖1b電路中高（gāo）頻變壓器T1也是一個幹擾源。為了阻止高頻變壓器（qì）產生的幹擾信號以輻射方式發射，把變壓器的外殼用屏蔽材料銅（tóng）箔環繞一（yī）圈構成一回（huí）路加（jiā）以屏蔽，以切斷變（biàn）壓器通過空間耦合形成的輻射幹擾傳播途徑。並且為了減少因變壓器一次側開通時電流瞬間突（tū）變產生的di／dt幹擾，在變壓器T1的一次側（cè）串進1個電感，以減小器件的開通（tōng）損耗，降低輻射幹擾信號。經過整改後，輻射幹擾大大下降（jiàng），再次對（duì）本電（diàn）源輻射幹擾進行測試（shì），完（）全達到了標準要求，其測試結果（guǒ）如圖（tú）7所示。

與（yǔ）EMI相關的因素多（duō）且複雜，僅（jǐn）做到上述的幾點（diǎn）措（cuò）施是遠（yuǎn）遠不夠的，還有接地技術、PCB布局走（zǒu）線等都很重要。電磁兼容的設計任重而道遠，我們要不斷（duàn）進行研究探索，使我國的（de）電子產品（pǐn）電磁兼容水平與國際同步（bù）。