1 概述

 

目前，電子產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，尤其是世界上發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)形成了一套完整的電磁兼容體系，同時(shí)我國(guó)也正在建立電磁兼容體系，因此，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容是進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的通行證。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，由于開(kāi)關(guān)管、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對(duì)外界會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，因此開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射相對(duì)其它產(chǎn)品來(lái)說(shuō)更加難以實(shí)現(xiàn)電磁兼容，但如果我們對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原理了解清楚后，就不難找到合適的對(duì)策，將傳導(dǎo)發(fā)射電平和輻射發(fā)射電平降到合適的水平，實(shí)現(xiàn)電磁兼容性設(shè)計(jì)。

 

2 開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)騷擾

 

2.1 傳導(dǎo)發(fā)射的產(chǎn)生

 

開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾是通過(guò)電源的輸入電源線向外傳播的電磁干擾。在開(kāi)關(guān)電源輸入電源線中向外傳播的騷擾，既有差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾比差模騷擾產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射騷擾。傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試頻率范圍為150KHz～30MHz，限值要求如下表1 所示：

 

 

在0.15MHz～1MHz 的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的頻率范圍內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，騷擾的形式主要以共膜為主。傳導(dǎo)發(fā)射的差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，流過(guò)電源線的電流線形上升，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流突變?yōu)?，因此流過(guò)電源線的電流為高頻的三角脈動(dòng)電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來(lái)越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由于電容C5 的存在，它與電感L3 組成低通濾波器，因此，差模傳導(dǎo)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地（保護(hù)地）之間存在有分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過(guò)分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)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，L1、VD1、C6 和VT2 為功率因數(shù)矯正主電路，VT2 為開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)管的D 極與管子的散熱器相連，開(kāi)關(guān)管安裝在散熱器上時(shí)，與散熱器之間形成一個(gè)耦合電容，如圖1 中的C7 所示，開(kāi)關(guān)管VT2 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其D 極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會(huì)通過(guò)耦合電容、L、N 電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從上面的圖1 來(lái)看，開(kāi)關(guān)管VT2 的D 極與散熱器之間耦合電容的作用最大，在上面的圖1 中，從整流橋到電感L3 之間的電壓為100Hz 的工頻波形，而從電感L3 到二極管VD1 和開(kāi)關(guān)管VT2D 極之間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(jī)殼的距離比較遠(yuǎn)，分布電容比開(kāi)關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小的多，因此我們主要考慮開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。

 

2.2 傳導(dǎo)騷擾的解決方法

 

2.2.1 EMI 濾波器

 

解決傳導(dǎo)騷擾目前大都采用無(wú)源濾波器，如上圖 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成一個(gè)EMI 濾波器，L1、L2 是兩個(gè)共模電感，一般來(lái)說(shuō)，在共模電感當(dāng)中，含有20%左右的差模電感，與電容C1、C2、C3 構(gòu)成差模濾波器，C4、C5 是共模電容，與電感L1、L2 構(gòu)成共模濾波器。

 

共模電感量的計(jì)算：

 

假設(shè)開(kāi)關(guān)管集電極的干擾電壓在 400V 左右，轉(zhuǎn)換成dB（μV）為：

 

 

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試設(shè)備內(nèi)部的去耦網(wǎng)絡(luò)（LISN）內(nèi)阻Zin 標(biāo)準(zhǔn)為50Ω。則耦合電容C7 與測(cè)試設(shè)備去耦網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻Zin 對(duì)騷擾電平的衰減為：

 

 

則：如果不加EMI 濾波器時(shí)，電源輸出端口所測(cè)得的騷擾電平為：

 

 

表 1 中A 級(jí)電源端口傳導(dǎo)限值的要求為79 dB（μV），顯然大大超過(guò)了限制的要求。則需要濾波器在 150KHz 處的衰減為：

 

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(yīng)大于39dB，我們?nèi)?0dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10 倍頻，在圖1 中有兩個(gè)二階濾波器，衰減特性是-80dB/10 倍頻，則濾波器的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)在：47KHz 左右，考慮到其他因素的影響，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為40KHz。

 

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

 

根據(jù)

 

 

計(jì)算得：L=1.7mH

 

在設(shè)計(jì)EMI 濾波器的時(shí)候，為了有效的抑制騷擾信號(hào)的目的，必須對(duì)濾波器兩端將要連接的源阻抗進(jìn)行合理的搭配，當(dāng)濾波器的輸出阻抗Zo 和負(fù)載阻抗RL 不相等時(shí)，在這個(gè)端口會(huì)產(chǎn)生，反射系數(shù)ρ由下式來(lái)定義：

 

 

當(dāng) Zo 和RL 相差越大，端口產(chǎn)生的反射越大。

 

EMI 濾波器中的共模電感含有20%左右的差模電感，與X2 電容構(gòu)成差模濾波器，在上面的原理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對(duì)傳導(dǎo)騷擾的低頻端影響比較大，主要原因是因?yàn)樵诘皖l段，騷擾的方式主要以差模的方式存在，增大C1、C2、C3，可以減小低頻段的騷擾電平，但取值一般不超過(guò)0.47～2.2μF，如果適當(dāng)增大電容，低頻段仍然超標(biāo)，可以增加差模電感來(lái)解決。

 

2.2.2 其他方法

 

EMI 濾波器是采用切斷傳播途徑的方法來(lái)減小傳導(dǎo)發(fā)射的騷擾電平，另外我們也可以從發(fā)射的源來(lái)著手，減小發(fā)射源向外發(fā)射的電平。

 

1：如下圖2 所示：

 

 

圖2 中，在PFC 升壓電感上增加一個(gè)輔助繞組，該繞組的匝數(shù)與主繞組相同，方向與主繞組相反，C7 是開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的耦合電容，如圖所示增加一個(gè)與C7 容量大致相同的一個(gè)電容接到散熱器與輔助繞組之間，這樣C7、C8 耦合到散熱器的騷擾信號(hào)幅度相同，方向相反，兩個(gè)信號(hào)剛好可以相互抵消，大大減小向外發(fā)射的騷擾電平。

 

2：如下圖3 所示：

 

 

在圖3 中，增加一個(gè)高頻電容C8，接在開(kāi)關(guān)管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開(kāi)關(guān)管越近越好，該電容選用安規(guī)電容，容量在4700P 到0.01μf 之間，太大會(huì)使電源的漏電流超標(biāo)，經(jīng)過(guò)電容C7 耦合到散熱器上的騷擾信號(hào)經(jīng)過(guò)C8 衰減，衰減的系數(shù)為

 

 

由于 C8 比C7 大許多，上式可以簡(jiǎn)化為：

 

 

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

 

3 開(kāi)關(guān)電源的輻射騷擾

 

3.1 輻射騷擾的空間傳輸

 

1. 遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)

 

電磁能量以場(chǎng)的形式向四周傳播，就形成了輻射騷擾，場(chǎng)可以分為近場(chǎng)、和遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)又稱為感應(yīng)場(chǎng)，它的性質(zhì)與場(chǎng)源有密切的關(guān)系，如果場(chǎng)源是高電壓小電流的源，則近場(chǎng)主要是電場(chǎng)，如果場(chǎng)源是低壓大電流，則場(chǎng)源主要是磁場(chǎng)。無(wú)論近場(chǎng)是磁場(chǎng)或是電場(chǎng)，當(dāng)離場(chǎng)源的距離大于λ/2π時(shí)，均變成遠(yuǎn)場(chǎng)，又稱為輻射場(chǎng)。

由于開(kāi)關(guān)電源工作在高電壓，大電流的狀態(tài)下，近場(chǎng)即有電場(chǎng)，又有磁場(chǎng)。

 

2. 騷擾的輻射方式

 

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

 

 

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

 

● 平行雙線環(huán)路的輻射

 

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：

 

 

式中 A 為差模電流所包圍的面積，I 是差模電流的大小，r 是離輻射源的距離，λ是波長(zhǎng)。可見(jiàn)差模輻射強(qiáng)度與差模電流的大小和差模電流所包圍的面積成正比，與距離成反比，與頻率的平方成正比。

 

因此應(yīng)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(dǎo)線的輻射

 

單導(dǎo)線的輻射公式可以用來(lái)估算共模電流產(chǎn)生的輻射的大?。?/div>