摘要：讨论了开关电源的电磁兼容问题，并以180W开关电源为例，介绍了解决电磁兼容的方案

关键词：开关电源,电磁兼容,谐波电流,传导干扰,辐射干扰

0    引言

    随着开关电源技术的不断发展和日趋成熟，各个应用领域对开关电源的需求也不断增长，但是，开关电源存在严重的电磁干扰（EMI）问题。它不仅对电网造成污染，直接影响到其它用电电器的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，对空间也造成电磁污染。于是便产生了开关电源的电磁兼容（EMC）问题。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

    开关电源的电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰通过交流电源传播，频率低于30MHz。辐射干扰通过空气传播，频率在30MHz以上。

    本文针对一种桌面式180W塑壳开关电源（负载是12V/15A的半导体制冷冰箱，电源外形大小205mm×90mm×62mm）所存在的电磁干扰超标问题，从原理上进行了分析，并探讨了解决方案。

1    180W开关电源的电路结构分析与电磁干扰测试

1.1    主电路与结构布局分析

图3    传导干扰低频超标

图4    辐射骚扰预测图

2    电磁干扰的抑制

2.1    谐波电流的抑制

    采用功率因数校正可以解决谐波电流超标的问题。有源功率因数校正采用Boost升压PFC电路，功率因数提高到0.99以上，使得谐波电流很小，但电路复杂，成本也不低，而且电路中的开关管和高压整流二极管的开关噪声将成为新的骚扰源，使整机的EMI达标增加了难度。

    考虑到在交流输入电压（AC 220～250V）范围内，满足电压调整率情况下，适当减小滤波电容，输入串联电阻可以在一定程度上降低滤波电容充电电流瞬时值的峰值，满足谐波电流限值，且功率损耗在可以接受的范围之内，整机电源效率下降不多，也不失为较好方法。采用这一方法后实测谐波电流值如表2所列。

表2    滤波后谐波电流值

谐波次数	实测数值/A	谐波限值/A
1	1.120	Nan
2	0.004	1.080
3	0.990	2.300
4	0.004	0.430
5	0.812	1.140
6	0.003	0.300
7	0.594	0.770
8	0.002	0.230
9	0.379	0.400
10	0.002	0.184
11	0.212	0.330
12	0.001	0.153
13	0.142	0.210
14	0.002	0.131
15	0.141	0.150
16	0.002	0.115
17	0.132	0.132
18	0.001	0.102
19	0.100	0.118
20	0.001	0.092
21	0.064	0.107
22	0.001	0.084
23	0.050	0.098
24	0.001	0.077
25	0.054	0.090
26	0.001	0.071
27	0.051	0.083
28	0.001	0.066
29	0.037	0.078
30	0.001	0.061
31	0.026	0.073
32	0.001	0.058
33	0.027	0.068
34	0.001	0.054
35	0.027	0.064
36	0.001	0.051
37	0.023	0.061
38	0.001	0.048
39	0.015	0.058
40	0.001	0.046

　

    传导噪声主要来源半桥变换器中功率开关管S₁及S₂以频率25kHz交替工作，功率开关管集电极发射极电压U_ce和发射极电流I_c波形接近矩形波。傅立叶分析表明，矩形波脉冲具有相当宽的频率带宽，含有丰富的高次谐波，脉冲波形的频谱幅度在低频段较高。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。

    输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道（即低通滤波器），以抑制或去除电磁骚扰，达到电磁兼容的目的。

图5    输入滤波器

图6    寄生参数影响传导超标

    输入滤波器对20MHz以下噪声抑制有明显的效果。理想输入滤波器是低通滤波器，但实际上是带阻滤波器，电容器的引线电感和电感线圈上的寄生电容，在频率较高时影响就不能忽视。在1MHz时就变得十分明显了。

    当开关电源频率增加时，所需的共模电感可大大减小，共模电感体积也减小。但是，开关电源在20MHz以上频带的辐射噪声份量有所增加，给辐射骚扰的达标带来麻烦。开关频率和共模电感的关系如表3所列。

表3    开关频率和共模电感的关系

开关频率	共模电感的电感量
50kHz	约30mH
75kHz	约15mH
100kHz	约10mH

    C_X电容器高频阻抗频率特性是一个关系电磁骚扰抑制效果的重要参数。电容器在高频使用时等效为r（等效串联电阻）＋C＋L（等效串联电感）电路。由于电容器自身的固有电感（即等效串联电感）存在，在频率低的范围，电容器电抗呈容性，在频率高的范围，电容器电抗呈感性，这时抑制骚扰的能力就明显下降。电容器的固有引线电感越小和骚扰源的高频内阻抗越大，则抑制骚扰的效果越好。

    C₄及C₅的引线和连接地引线应尽量短，以使接地阻抗尽量小，噪声能经过电容旁路到地线，C₄及C₅取较大电容量滤波效果好，但是，随着电容量的增加泄漏电流也增加了，而泄漏电流值是电气安全中的重要指标，决不允许超过规定数值。一般的漏电流限制是3.5mA，此桌面式塑壳开关电源属手持式设备，最大漏电流限制为0.75mA，实测值为0.55mA。

图7    传导骚扰合格

2.3    辐射骚扰的抑制

    辐射骚扰是指由任何部件、天线、电缆或连接线辐射的电磁干扰。

    通常在电路元件布局上，应尽量使输入交流和输出直流插座（包括引线）分开并远离。采用一端输入另一端输出是一种合理的布局。但考虑电源内部散热通风，该电源采用图2的散热结构。不可回避的问题是输入输出线缆之间可能发生空间耦合，当有高频传导电流通过时就会产生强烈的辐射。

    首先，从电磁骚扰源产生的机理入手，查找辐射骚扰源的所在，从根本上降低其产生辐射骚扰噪声的电平。在输出电压比较低的情况下，输出整流器和平滑电路的干扰可能比较严重，通过减小环路面积可以抑制di/dt环路产生的磁场辐射。整流及续流二极管工作在高频开关状态，也是个高频骚扰源。二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，且产生高频振荡，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。

    铁氧体磁环和磁珠使用方便，价格便宜，抑制电磁干扰效果明显。铁氧体电感的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。电阻值随着频率增加而增加，这样就构成了一个低通滤波器。低频时R很小，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制；高频时R增大，电磁干扰被吸收并转换成热能，使高频干扰大大衰减。不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入、输出电路，则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。

图8    3m法电波暗室测试（一次整改后）

图9    3m法电波暗室测试（辐射骚扰合格）

    3m法电波暗室与10m法电波暗室测试规定限值的转换：由于标准GB9254认定ITE（信息技术设备）在10m测量距离处得到辐射骚扰限值，而较多的EMC检测服务中心是在3m电波暗室内测试，因为场强大小与距离成反比，所以在3m法中测得的噪声电平比在10m法时的噪声电平值要下降10dB。