開關電源輻射騷擾（rǎo）傳導騷擾！

1 概述（shù）

目前，電子（zǐ）產品電磁兼容問題越來（lái）越受到人們的重視，尤其是（shì）世界上發達（dá）國家，已經形成了一套完整的電磁兼容體係，同時我國也正在建立電磁兼（jiān）容體係，因此（cǐ），實現產品的電磁兼容是進入國際市場的通行證（zhèng）。對於開關電源來說，由於開關管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對外界會產生很強的電磁幹擾，因此開關電源的傳導發（fā）射和電磁（cí）輻射發射相對其它產品來說更加難以實現電磁（cí）兼容，但如果我們對開關電源產生電磁幹擾（rǎo）的原（yuán）理了（le）解清楚後，就不難找到合適的對策（cè），將傳導發射電（diàn）平和輻射（shè）發射電平降到合適的水平，實現電磁兼容性設計。

2 開關電源傳導騷擾

2.1 傳導發射的產生

開關電源的（de）傳導騷擾是通過電（diàn）源的輸（shū）入電（diàn）源線（xiàn）向外傳播（bō）的電磁幹擾。在開關電源輸（shū）入電源線中向外傳播的騷擾，既有差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾比差模騷（sāo）擾產生更強的輻射騷擾。傳導騷擾的測試頻率範圍為（wéi）150KHz～30MHz，限值要求如下表1 所（suǒ）示：

在（zài）0.15MHz～1MHz 的頻率範圍內，騷（sāo）擾主要以共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的頻率範圍內，騷擾的形式是差模和共模共（gòng）存（cún），在10MHz 以上，騷擾的形式主要以共（gòng）膜為（wéi）主。傳導發射的差模騷擾的產生主（zhǔ）要是由於開關管工作在開關（guān）狀態，當開關管開通時，流過電源線的電流線形上升（shēng），開關管關斷時電流突變為（wéi）0，因此流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分（fèn）量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率（lǜ）的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由於電容C5 的存在，它與電感L3 組成低通濾波器，因（yīn）此，差模傳導騷擾主要存在低頻率段。

共模騷擾的產（chǎn）生主要原因是電源與大（dà）地（保護地）之間存在（zài）有分布電容，電路中（zhōng）方波電壓的高頻（pín）諧波分量通過分布電容（róng）傳入大地，與電源線構成回路，產生共模騷擾。

如上圖 1 所示，L、N 為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成輸入EMI 濾波器，DB1 為整流橋（qiáo），L1、VD1、C6 和VT2 為功率因數矯正主電（diàn）路，VT2 為開關管，開關（guān）管的D 極與管子的散熱器相連，開關（guān）管安裝在散熱器上時，與散熱器之間（jiān）形成一個耦合電（diàn）容，如圖1 中的C7 所示，開關管VT2 工作在開關狀態，其D 極的（de）電壓為高頻方波，方波（bō）的頻率為開（kāi）關管的開關頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電（diàn）容、L、N 電源線構（gòu）成回路，產生（shēng）共模騷擾。電（diàn）源與大地的分布電（diàn）容（róng）比（bǐ）較分散，難以估算，但從上麵的圖1 來看，開關管VT2 的D 極與散熱器之間耦合電容的作用最大，在上麵的圖1 中（zhōng），從整流橋到電感L3 之（zhī）間的電壓為100Hz 的工頻（pín）波形，而從電感L3 到（dào）二極（jí）管VD1 和開（kāi）關管VT2D 極之間（jiān）的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次電感L3 的影響也比較大，但L3 與機殼的距離比較（jiào）遠，分布電容比開關管和散熱（rè）器之間的耦合電容小的多，因此我（wǒ）們（men）主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容。

2.2 傳導騷擾的解決方法

2.2.1 EMI 濾波器

解決（jué）傳導騷（sāo）擾目前（qián）大都采用（yòng）無源濾波器，如（rú）上圖（tú） 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成一個EMI 濾波器（qì），L1、L2 是兩個共模電感（gǎn），一（yī）般來說，在共模電感當中，含有20%左右的（de）差模電感，與電容C1、C2、C3 構成差模濾波器，C4、C5 是共模電容，與電感（gǎn）L1、L2 構成（chéng）共模濾波（bō）器。

共模電感量的計算：

假設開關管集電極的幹擾電壓在 400V 左右，轉換成dB（μV）為：

傳導發射測試設備內部的去耦網絡（luò）（LISN）內阻Zin 標準為50Ω。則耦（ǒu）合電容C7 與測試設備（bèi）去耦網絡的內阻Zin 對騷擾（rǎo）電平的衰減為：

則：如果不加EMI 濾波器時，電源輸出端口所測得（dé）的（de）騷擾電（diàn）平為：

表 1 中（zhōng）A 級電源端口（kǒu）傳導限值的要求為79 dB（μV），顯然大大超過了（le）限製的要求。則需要濾波器在 150KHz 處的衰減為（wéi）：

112-79=33 dB，考慮到至少有6dB 的裕量，EMI 濾波器的在150KHz 處的衰減應大於39dB，我們取40dB。二階（jiē）濾波器的衰減特性是-40dB/10 倍頻，在（zài）圖1 中有兩個二階濾波器，衰減特性是-80dB/10 倍頻，則濾（lǜ）波器（qì）的轉折頻率應在：47KHz 左右，考慮到其他因（yīn）素（sù）的影響，濾波器（qì）的轉折（shé）頻率取為40KHz。

共模電容 C4、C5 取4700P（考慮到（dào）漏電流的問題，不能取太大），則：C=C4+C5=9400P。

根據

計（jì）算得（dé）：L=1.7mH

在設計EMI 濾波器的時候，為（wéi）了有效的抑（yì）製騷（sāo）擾信號的目的，必須對濾波器兩端將要連接的源阻抗進行合（hé）理的搭（dā）配，當濾波器（qì）的輸出（chū）阻抗Zo 和負載阻抗RL 不相等時，在這個端口會產生，反（fǎn）射係數ρ由（yóu）下式來定義：

當 Zo 和RL 相差越大，端口產生的反射越大。

EMI 濾波器中的（de）共模電感含有20%左（zuǒ）右的差模電感，與X2 電容構成差模濾波器（qì），在上（shàng）麵的原（yuán）理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對傳導騷擾的低頻（pín）端影響比較大，主（zhǔ）要原因是因為在低（dī）頻段，騷擾的方（fāng）式主要以差模的方式存（cún）在，增大C1、C2、C3，可以減小低頻段的騷擾電（diàn）平，但取值一般不超過（guò）0.47～2.2μF，如果適（shì）當增大電容，低頻（pín）段仍然超標，可以（yǐ）增加（jiā）差模電（diàn）感來解決。

2.2.2 其他方法

EMI 濾（lǜ）波器是采用切斷傳播途徑的方法來減小傳導發射的（de）騷（sāo）擾電平，另外我們也可以從發（fā）射的源來著（zhe）手，減小發（fā）射源向（xiàng）外發射的電平。

1：如下圖（tú）2 所示：

圖2 中，在（zài）PFC 升壓電感上增加一個輔（fǔ）助繞組，該繞組的匝數與主繞（rào）組相同，方向與（yǔ）主繞組相反，C7 是開關管與散熱器（qì）之間的耦合電容，如圖所示增加一個與（yǔ）C7 容量大致相（xiàng）同的一個電（diàn）容接到散熱器與輔助（zhù）繞（rào）組之間，這（zhè）樣C7、C8 耦合到（dào）散熱器的騷擾信號幅度相同，方向相反，兩（liǎng）個信號剛好（hǎo）可以相互抵消，大大減小向（xiàng）外發（fā）射（shè）的騷（sāo）擾電平。

2：如下圖3 所示：

在圖3 中，增加（jiā）一個高頻（pín）電容C8，接在開關管散熱器與輸出地之間（jiān），該電容與散熱器的連接處離開（kāi）關管越近越好，該電容選用安（ān）規電（diàn）容，容量在4700P 到0.01μf 之間，太大會使電源的（de）漏電流超標（biāo），經過電容C7 耦合到散熱器上的騷擾信號（hào）經過C8 衰減，衰減的係數為

由於 C8 比C7 大許多，上式可以（yǐ）簡化（huà）為：

可見，假設 C7 為30P，C8 為4700P，則向外發射的騷擾信號（hào）被衰減了157 倍，近45dB。

3 開關電源的（de）輻射騷擾

3.1 輻（fú）射騷擾的空（kōng）間傳輸

1. 遠場和（hé）近場

電磁能（néng）量以場的形式向四周傳播，就形（xíng）成了輻射騷擾（rǎo），場（chǎng）可以分為近場（chǎng）、和遠場，近場又稱為感應場，它的性質與場源有密（mì）切的關係，如果場源是高（gāo）電壓小（xiǎo）電流的源，則（zé）近場主要是電場，如果場源是低壓大（dà）電流，則場（chǎng）源主要是磁場。無論近場是磁場或（huò）是電場，當離場源的（de）距離大於λ/2π時，均變成遠場，又稱為輻射場。

由於開關電源工作在高（gāo）電壓，大電流的狀態下（xià），近場即有電場，又有磁場。

2. 騷擾的輻射方式

● 單點輻射，主要模擬各相同性（xìng）的較小的輻射源，輻射的強（qiáng）度可表示為：

式中，P 表示發射的功（gōng）率，r 表示離發射源的距離。可見（jiàn），單點（diǎn）輻射強度與距離成反比，與發射源的功率的平方根成正比。

● 平行雙線環路（lù）的輻射

主要模擬差模電流回路的輻射源，其輻射強（qiáng）度可以表示為（wéi）：

式中 A 為（wéi）差模電流所包圍的麵積，I 是差模電流的大小，r 是離輻射源的距離，λ是波長。可見差模輻射強度（dù）與差模電流的大小和差模電（diàn）流所包圍的麵（miàn）積成正比，與距離成反比，與頻率的平方成正比。

因此應在高頻噪聲源處加高頻去耦電容，以免高頻噪聲流入電源回路中。

● 單導線的輻射

單導線的輻射公式可以用來估算共模電流（liú）產生的輻射的大小：

式中，I 是共模電流的（de）大小，r 是到共模電流源的距離， l 是導（dǎo）線的長度（dù），λ是波（bō）長。

3. 共模電流輻射（shè）

兩根相近的導線，如果流過差模電流，則導線產生的電磁場由於方向相反（fǎn），大小（xiǎo）相等而相互抵消，但如果流過共模電流，時兩根導線產生（shēng）的電磁場相互疊加。因此大小（xiǎo）相同的共（gòng）模電流所產生的空間輻射要比（bǐ）差模電流產（chǎn）生的空間輻射強度大（dà）的多，根據實驗，兩者的輻射（shè）強度相差上千倍。所以，開關電源的輻射主要是由共模電（diàn）流引起的（de）。

● 共模（mó）電流（liú）輻射的基本模式

共模輻射有兩（liǎng）種驅（qū）動模式，一（yī）種是電流驅動模式，一種是電壓驅動模式（shì），在開（kāi）關電源中，起（qǐ）主要作用的主要是電壓驅動模（mó）式。

● 產生共模輻射的條件

產生共模輻射的條件有兩個，一是（shì）共（gòng）模驅動源，一個是共模天線。

任何兩個金屬體之間存在射頻電位差，就構成一副不對稱（chēng）振子天線，兩個（gè）金屬（shǔ）導體分

別是天線的兩個極，對於一個開關（guān）電源來說，如下圖所示：

圖4 中C7 是（shì）開關管和散熱器之間（jiān）的耦合電容（róng），散熱器和與開關管D 極（jí）相連接的印製線為天線的兩個極，在（zài）分析時可以簡化為下（xià）圖5：

圖（tú）中，Vs 為騷擾源，對圖4 來說，就是開關管VT2 的D 極（jí），L1、L2 相當於天線的兩個（gè）極，一個極是（shì）與開關管D 極相連的印製線，另外一個極是（shì）散熱器及（jí）與之相連的接地線，C是天線兩極之間的耦（ǒu）合電容（róng），即圖4 中開關管與散熱器之間（jiān）的耦合電容。

共模輻射（shè）主要有天線上的共模電（diàn）流的大小決定，因此（cǐ），天線兩極 L1、L2 之間（jiān）的耦合電容越大，輻射功率越大。

另外，當天線的（de）兩個極的總長（zhǎng）度大於λ/20時，才能向外輻射能量，並且（qiě）當天線的（de）長（zhǎng）度與騷擾源的波長滿足下列條件時，輻射能量才最大。

3.2 開關（guān）電源（yuán）的輻射源

要解決和減小開關電源的電磁輻射，首先要了解開關電源的輻射源在那兒。對於一個前級帶有PFC 功率因數矯正電路的開關電源來說，輻射騷擾的源（yuán）主要分（fèn）布下麵幾個地方（開關電源中（zhōng）的（de）輻射源例如驅動等，相對於下麵所列的要弱的多，所以可以不與考慮）。

1. PFC 開關管（guǎn）

2. PFC 升壓二（èr）極管

3. DC/DC 開關管

4. DC/DC 的整流（liú）管、續流管

5. PFC 升壓電（diàn）感

6. DC/DC 變壓器

● PFC 開關管和（hé）DC/DC 開關管的輻射原理如上（shàng）麵所述，屬於電壓驅動（dòng）模式（shì）的驅動源，升壓電感和變壓器屬於差模（mó）騷擾源，主要原（yuán）因是漏感的存在，導致電磁能量（liàng）泄露，向外發（fā）射電磁能量。

● PFC 升壓二極管和DC/DC 的整（zhěng）流二極管在（zài）反向截止時，存在反向恢（huī）複電流，如下圖所示：

圖中所示（shì）的是實際測試的PFC 升壓二極管關斷瞬間的反向恢複電（diàn）流（不加吸收（shōu）的情況下），在圖4 中，該反向恢複電流主要通過C6、VD1、VT2 構成回路，形成差模輻射，另外，由（yóu）於由（yóu）於（yú）引線電感的存在，很小一（yī）部分（fèn）的電流會（huì）通過散熱（rè）器與開關管（guǎn）VT2 之間的（de）耦合電容C7 向外流，形成共模輻射。

DC/DC 的整流二極管和續流管的反向恢複電（diàn）流會導致二極管的反向電壓出現很高的電壓尖（jiān）峰，下圖 7 是正激電路的輸出濾波電路。

圖7 中（zhōng），TI 是變壓器，VD1、VD2 分別是整流管和續（xù）流（liú）管（guǎn），由於整（zhěng）流管、續流管在由導通轉向截止時有反（fǎn）向恢複電流，該反向恢（huī）複電流在VD1、VD2 兩（liǎng）端產生比較（jiào）高的（de）電（diàn）壓峰值，由於快恢複二極管的（de）反向恢（huī）複電流在幾十nS，所以（yǐ）峰值電壓的（de）頻率較高，其基波頻率在幾十（shí）MHz，由於頻率很高，輻射（shè）能（néng）力很（hěn）強，下圖8 是整流管和續流管的電壓波形（xíng）。

在上圖7 中（zhōng），整流管、續流管固定在（zài）散（sàn）熱器上，散熱（rè）器接大地，由於二極（jí）管的陰（yīn）極與管殼的散熱（rè）板（bǎn）直接相連，管（guǎn）殼的散（sàn）熱（rè）板與散熱（rè）器之間就形成了耦合電（diàn）容，整流管（guǎn）、續流管在截（jié）止時產生的高壓尖峰就通過（guò）耦合電容流動，產生共模（mó）輻射（shè），輸出線和地分別是天線的兩個極。

●開（kāi）關電源其他的輻射源如印製線與機殼之間分布電容（róng）引起的共模輻射、內部電路工作時產生的差模輻射等，與前麵的幾個輻射源相比要（yào）小得多。

3.3 輻射騷擾的（de）解決措施

上麵分（fèn）析了輻射騷擾（rǎo）產生的原（yuán）因和開關電源的輻射源，再解決開關電源的輻射問題就（jiù）比（bǐ）較容易（yì）了。

3.3.1 開關管發射源引起的輻射發射（shè）

上麵所介（jiè）紹的輸入端口的（de）傳導騷擾，是通過輸入線向外發射的（de），同時（shí），輸（shū）入線又是（shì）一個天線，共模電流在流過輸入線的時候，就會向空間發射電磁能量，產生輻射騷擾，因（yīn）此對於（yú）上麵解決傳導發射的措施，在減小了傳導發射的同時，也大（dà）大減小了輸入端口的（de）輻射發射。

對於輻射源 DC/DC 開關管，也可以采取與PFC 開（kāi）關管的相同的措施，來減小驅動源的電壓（yā）幅度，較小輻射發（fā）射的強度（dù）。

下麵圖 9 是采取在PFC 開關管散熱器對PFC 輸（shū）出地加電容與不加電容輻射（shè）強度的對比（bǐ）。

圖中，前麵是加電容的，後麵（miàn）是不加電容的，從兩個圖中可以看出，在50MHZ 附近，輻射騷擾電（diàn）平在加了電容（róng）以後降低了盡10DB，在120MHZ 到220MHZ 的頻率範圍內也降低了10DB 左右。

3.3.2 DC/DC 整流管、續流管發射（shè）源

對於 DC/DC 整流管、續（xù）流管發射源，除（chú）了增加吸收，減小二極管兩端的峰值電壓、在二極（jí）管的管腳上套飽和磁環（huán）以減小反向恢複電流外，還可（kě）以采取以下措施。

1. 在整流管、續流管與散熱器的接觸點附近（jìn）對輸出地（dì）接電容，如下圖（tú） 10 所示：

圖中（zhōng）C2 是二極管VD1 和VD2 與散熱器之間的耦合電容，容量一般在幾十PF，C3 是增加的電容，C3 要遠大於C2，DC/DC 整流管（guǎn）、續流管上的電壓峰值（zhí）經過C2 與（yǔ）C3 的分壓，幅度大大降低（dī），就可（kě）以大大減小向外的輻射。

2. 采用如下圖（tú） 11 所示的電（diàn）路形式。

在上圖的電路形式（shì）中，將輸出濾波電感放在輸（shū）出的負端，VD1、VD2 的輸出直接接在輸出濾波電容的正端，這樣，整流管、續流管的陰極接固（gù）定電平（píng），通過陰（yīn）極連接的散熱麵與散（sàn）熱（rè）器之間的（de）耦合電容向外流動的共模電流就會大大減小，從而大大減小輸出（chū）端口的輻射電平。

3.3.3 機箱屏蔽

開關電源的輻射除了上述的輻射源主要（yào）通過（guò）輸入輸出端口向外（wài）輻射以外，電源的控製電路、驅動、輔助電（diàn）源、變壓器、電感等直接向空間輻射電磁能量，因（yīn）此（cǐ）需要采用機箱進行屏蔽，機箱屏蔽要（yào）考（kǎo）慮機箱的材料、厚度（dù）和孔縫對屏蔽效能的影響。

1.吸收損耗

當電磁波進入金屬屏蔽體後會產生感應電流，變為熱能而消耗掉，所以電磁波（bō）進入金屬導體中（zhōng）以指數的方式很快衰減，傳輸距離很短。

我們將（jiāng）電磁波（bō）衰減到（dào）原來 1/e，即0.37 倍時的距離稱為集膚深度δ

集膚深度δ與材料的性能和頻率有關，可用下麵的公式表示：

公式中，μ是材料的磁導率，σ是材料的電導率。

2. 反射損耗

當電磁波到達兩種介質表麵時，因阻抗不匹配而（ér）發生反（fǎn）射，所引起的電磁波（bō）能量損耗稱（chēng）為反射損耗。

輻射騷擾所測試的頻率範圍是 30MHz～1000MHz。如果單純的隻考慮30MHz 以上的電磁（cí）屏蔽（bì），薄薄一層的導體就可（kě）以（yǐ）達到很高（gāo）的屏蔽效能，但對於頻率比較低的（de）電場（chǎng）或磁場，就要考慮屏蔽所（suǒ）使用的材料和厚度了。

3. 孔（kǒng）縫對屏蔽的影響（xiǎng）

在實際的應用（yòng）當中，機箱上總是存在有接線孔、通風孔以及機（jī）箱各麵之間的連接縫隙，如果機箱（xiāng）的孔縫尺寸不合理，將使屏蔽效能大（dà）大降低，一（yī）般來說，孔（kǒng）縫的尺寸應小於十分之（zhī）一到百分之一的波長，才能達到相應的屏蔽效（xiào）果（guǒ）。如果上（shàng）限頻率按1000MHz 來（lái）考慮，孔縫的尺寸應小於：3～0.3cm。由於開關電源的電磁輻射頻率範圍一般在30MHz 到500MHz 之間，屏蔽的上限頻率可以按500MHz 來考慮。