開關（guān）電源輻射騷擾傳導騷擾！

1 概述

目前，電（diàn）子產品電磁兼容問題越（yuè）來越受到人們的重視，尤其是世界上發達國家，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（diàn）磁兼（jiān）容體係，因此，實現產品（pǐn）的電磁兼容是進入國際市場的（de）通（tōng）行證。對於開關電源來說，由於（yú）開關管（guǎn）、整流管工作在大電（diàn）流、高電壓的條件下，對外界會產生很強的電磁（cí）幹擾，因此（cǐ）開（kāi）關電源的傳導發射和電磁（cí）輻射發射相對其它產品來說更加難以實現電磁兼容，但如（rú）果我們對開（kāi）關電源產（chǎn）生電磁幹擾的原（yuán）理了（le）解清楚（chǔ）後，就（jiù）不難找到合適的對策，將傳導發射（shè）電平（píng）和輻射發射電平降到合適的水平，實現電磁兼（jiān）容性（xìng）設計。

2 開（kāi）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（shì）通過電源的輸入電源線向外傳播的電磁（cí）幹擾。在（zài）開關電源輸入電源線中向外傳播的騷擾，既有（yǒu）差模騷擾、又有共模（mó）騷擾，共模騷擾比差模騷擾產生更強（qiáng）的輻射騷擾。傳導（dǎo）騷擾的測試頻率範圍為150KHz～30MHz，限值要求如下表（biǎo）1 所示：

在0.15MHz～1MHz 的頻（pín）率範圍內，騷擾主要以（yǐ）共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的頻率（lǜ）範圍（wéi）內，騷擾的形式是差（chà）模和（hé）共模共存，在（zài）10MHz 以（yǐ）上，騷擾（rǎo）的形式主要以共膜為主。傳導發射的差模（mó）騷擾的產生主要是由於開（kāi）關管工作在開（kāi）關狀態，當開關管開通時，流過電源線的電流線形上（shàng）升，開關管關斷時電流突變為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（bō）分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來（lái）越小（xiǎo），因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由於電（diàn）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（sāo）擾（rǎo）主要存在低頻率段。

共模騷擾的產生主要原因是電源與大地（保護（hù）地）之間存在有（yǒu）分布電（diàn）容，電路中方波電壓的高頻諧波（bō）分量通過（guò）分布（bù）電容傳入大地，與電（diàn）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（rù）EMI 濾（lǜ）波（bō）器，DB1 為整（zhěng）流橋，L1、VD1、C6 和（hé）VT2 為功率因（yīn）數（shù）矯正主電路，VT2 為開關管，開關管的D 極與管子的散熱器相（xiàng）連，開（kāi）關管（guǎn）安裝在散熱器上時（shí），與散熱器之間形成一個耦合電容，如（rú）圖1 中的（de）C7 所示，開關管VT2 工（gōng）作在開關狀態，其（qí）D 極的電壓（yā）為高頻方波，方波的頻率為開關管的開關頻率，方（fāng）波（bō）中的各次諧波（bō）就會通過耦合電容、L、N 電源線構（gòu）成回路，產生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估（gū）算，但從上麵（miàn）的圖1 來看，開關管（guǎn）VT2 的D 極（jí）與散熱器之間耦合電（diàn）容的作用最大，在上麵的圖1 中，從整流橋到電感L3 之間（jiān）的電壓為100Hz 的工頻波形，而從電感L3 到二極（jí）管VD1 和（hé）開關管（guǎn）VT2D 極之間（jiān）的連線（xiàn）的電壓（yā）均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次（cì）電感L3 的影響也比較大（dà），但L3 與機殼的距離（lí）比較遠，分布電容比開關管和散熱器（qì）之間的耦合電容小（xiǎo）的多，因（yīn）此我們主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容。

2.2 傳（chuán）導騷擾的（de）解決方法

2.2.1 EMI 濾波器

解決傳導騷擾目前大都采用無源濾波（bō）器，如上圖 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成（chéng）一個EMI 濾波器，L1、L2 是兩個共模電（diàn）感（gǎn），一般來說，在共模電感（gǎn）當中，含有20%左（zuǒ）右（yòu）的差模（mó）電感，與電容C1、C2、C3 構成差模濾波器，C4、C5 是共模電容（róng），與電感L1、L2 構成共模濾波器。

共模電感量的計算：

假設開關管（guǎn）集電極的幹擾電壓在 400V 左右，轉換成dB（μV）為（wéi）：

傳導發射測試設備內部（bù）的去耦網絡（LISN）內阻Zin 標準為50Ω。則耦合電容C7 與測試設備去耦網（wǎng）絡的內（nèi）阻Zin 對（duì）騷擾電平的衰減為：

則：如果不（bú）加EMI 濾波（bō）器時，電源輸出端（duān）口所測得的騷擾電平為：

表 1 中A 級電源（yuán）端口傳導限值的要求為79 dB（μV），顯然大大超過了限製的要求。則（zé）需要濾波器在 150KHz 處的（de）衰減（jiǎn）為：

112-79=33 dB，考慮到至少有6dB 的裕量，EMI 濾波器的在150KHz 處（chù）的衰（shuāi）減應（yīng）大於39dB，我們取40dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10 倍（bèi）頻，在（zài）圖1 中有兩個二階濾波器，衰（shuāi）減特性是-80dB/10 倍頻，則濾波器的轉（zhuǎn）折頻率應（yīng）在：47KHz 左（zuǒ）右，考（kǎo）慮到其他因素的影響，濾波器的轉折頻率取（qǔ）為40KHz。

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

根據

計算得：L=1.7mH

在（zài）設計EMI 濾波器的時候，為了（le）有（yǒu）效的抑製（zhì）騷擾信號的目的（de），必須對濾波（bō）器兩端將要連接的（de）源阻抗進行合理的搭配，當濾波（bō）器的輸出阻抗Zo 和負載阻抗RL 不相等時，在這個（gè）端（duān）口會產生，反射係數ρ由下式來定義：

當 Zo 和RL 相差越大，端口（kǒu）產生的反（fǎn）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 電容構成差模濾波器（qì），在上麵的原理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對傳導騷擾的低頻端影響比較大，主要原因是因為在低頻段，騷擾的方式主要以差模的方式存（cún）在，增大（dà）C1、C2、C3，可以減小低（dī）頻段的騷擾電平，但取值一般不超過0.47～2.2μF，如果適當增大電容，低（dī）頻段仍然超標，可（kě）以增（zēng）加差模電感來解決。

2.2.2 其他方法

EMI 濾波器是采用切（qiē）斷傳播途徑的方法來減小傳導發射（shè）的（de）騷擾電平，另外我們也（yě）可以從發射的源來（lái）著手，減小發射（shè）源向外發射的電平。

1：如下圖2 所示：

圖2 中（zhōng），在PFC 升壓電感上增加一個（gè）輔助繞組，該繞組（zǔ）的匝（zā）數與主繞（rào）組（zǔ）相同，方向與主繞組相反，C7 是開關管與散熱器之間的耦合電容，如圖所示增加一個與C7 容量大致相同的一個電容接到散熱器與輔助繞組（zǔ）之間，這樣C7、C8 耦合到散熱器的（de）騷擾信號幅度相同，方向（xiàng）相反，兩個信號剛好可以相互抵消，大大減小向外發射的騷擾電平。

2：如下圖3 所示：

在圖（tú）3 中，增加一個高頻電容C8，接在開關管散熱器與（yǔ）輸出地之間，該電容與散熱器的連接（jiē）處離開關（guān）管越近越（yuè）好，該電容選用安規電容（róng），容量在4700P 到0.01μf 之間，太大會使電源的漏電流超標，經過電容（róng）C7 耦合到散熱器上的騷擾信號經過C8 衰減，衰減的係數為

由於 C8 比C7 大許多，上式可以簡化為：

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

3 開關電源的輻射騷擾

3.1 輻射騷擾的空間傳輸

1. 遠場和近場

電磁能（néng）量以（yǐ）場的形式向四周傳播（bō），就形成了輻射騷擾，場可以分（fèn）為（wéi）近場、和遠場（chǎng），近場又稱為感（gǎn）應（yīng）場，它的性質與場源有密切的關係，如果（guǒ）場源是高電壓小電流（liú）的源，則近場主要是電場，如果場源是（shì）低壓大（dà）電流，則場源主要是磁場。無論近場是磁場或是（shì）電場，當離場（chǎng）源的距離大（dà）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電壓，大電流的狀態下，近（jìn）場即有電場，又有磁場。

2. 騷擾的輻射方式

● 單點輻射，主要模（mó）擬各相同性的較小的輻射源，輻射的（de）強度可表示為：

式中（zhōng），P 表示發射的功率，r 表示離發射源的距離（lí）。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（shuāng）線環路的輻射

主要模擬差模電流回路的輻射源，其輻射（shè）強度可以表示為：

式中 A 為差模電流所包圍（wéi）的麵積，I 是差模電流的大小，r 是離輻射源（yuán）的距離，λ是波長。可見差模輻射強度與（yǔ）差模電流的大小和（hé）差模電流所包圍的麵積成正比，與距離成反比，與頻率的（de）平（píng）方成正比。

因此應（yīng）在高頻噪聲源處（chù）加高頻（pín）去（qù）耦電容，以免高頻噪聲流入電源回路（lù）中。

● 單導線的（de）輻射

單（dān）導線的輻射公式可以用來估算共模電流產生的輻射的大小：

式中，I 是共模電流的大小（xiǎo），r 是到共模電（diàn）流源的（de）距（jù）離， l 是導（dǎo）線的長度，λ是（shì）波長。

3. 共模電流輻射（shè）

兩根相近的導線，如果（guǒ）流過差模電流，則導線產生的電磁場由於方（fāng）向相反（fǎn），大小相（xiàng）等而相互抵消，但（dàn）如果流過共模電流，時兩根導（dǎo）線產（chǎn）生的電磁場相互疊加。因此大小相同（tóng）的共模電流所產生的空間輻射要比差模（mó）電流（liú）產生的空間輻射強度（dù）大的（de）多，根據實驗，兩（liǎng）者的輻射強度相差上千倍。所以，開關電源的輻射主要是由共模電流引起的。

● 共模電流輻射的基本模式

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

● 產生共模輻射（shè）的條件

產生共模輻射的條件有兩個，一是共模驅動源，一個是共模天線（xiàn）。

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

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 是開關管和散熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關管D 極（jí）相連接的印製線（xiàn）為天線的兩個極，在（zài）分析時可以簡化為（wéi）下圖（tú）5：

圖中（zhōng），Vs 為騷擾源，對圖4 來說，就是（shì）開（kāi）關管VT2 的D 極，L1、L2 相當（dāng）於天線的兩個極，一個極是與開關管D 極相連的印製線，另外一個極是散熱器（qì）及與之相連的（de）接地線，C是天線兩極之間的（de）耦（ǒu）合電容，即圖4 中開關管與散熱器之間（jiān）的耦合電容。

共模（mó）輻射主（zhǔ）要有天線上的（de）共模電流的大小決定，因此，天線兩極 L1、L2 之間的耦合（hé）電（diàn）容越大，輻射功率越（yuè）大。

另外，當天線的兩個極的總長度大於λ/20時，才（cái）能向外輻射（shè）能量，並（bìng）且當天線的長度與騷擾（rǎo）源的波長滿足下列條（tiáo）件時，輻射能量才（cái）最（zuì）大。

3.2 開關電源的輻射源

要解決和減小開關電（diàn）源的電（diàn）磁輻射，首先要了解開關電源的輻射源在（zài）那兒。對於一個前級帶有（yǒu）PFC 功率（lǜ）因數矯正電路（lù）的開關電源來說，輻（fú）射騷擾的源主要分布下麵幾個地方（開關電源（yuán）中的輻射源（yuán）例如驅動等，相（xiàng）對於下麵所列的要弱（ruò）的多，所以可以不與考慮）。

1. PFC 開關管

2. PFC 升壓二極管

3. DC/DC 開關管

4. DC/DC 的整流管、續流管（guǎn）

5. PFC 升（shēng）壓電感

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（qū）動模式的驅動源（yuán），升壓電感和變壓（yā）器屬於差模騷擾源（yuán），主要原因是漏感的存在，導致電磁（cí）能量泄露，向外發射電磁能量。

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

圖中所示的是實際測試的PFC 升壓二極管關斷瞬（shùn）間的反（fǎn）向恢複電流（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（yú）由於引線電感的存在，很小（xiǎo）一部分的（de）電流會通過散熱器與開關管VT2 之間（jiān）的耦合電（diàn）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流會導致二極管的反向電壓出（chū）現（xiàn）很（hěn）高的電壓尖峰，下圖 7 是正激電路的（de）輸出濾波電（diàn）路。

圖7 中，TI 是變壓器（qì），VD1、VD2 分別是整流管（guǎn）和續流管，由於整流管、續流管在由導通轉向截止時有（yǒu）反向恢複電流，該反（fǎn）向恢複電流（liú）在VD1、VD2 兩端產（chǎn）生（shēng）比較高的電壓峰值，由於快（kuài）恢複二極管的反向恢複（fù）電流在幾十nS，所以峰值電壓的頻（pín）率較高，其基波頻率在幾十MHz，由於頻率很高，輻射能力很強，下圖8 是整流管和續流管的（de）電（diàn）壓波形。

在上圖7 中，整流管、續流（liú）管固定在散熱（rè）器上，散熱器接大地，由於二極（jí）管（guǎn）的陰極與管殼的散熱板直接相連，管殼的散熱板與散熱器之間就（jiù）形成了耦合電容，整流管、續流管在截止時產生（shēng）的（de）高壓尖峰就（jiù）通過（guò）耦合電容流動，產生共模輻射，輸出線和（hé）地分別是天線的兩個極（jí）。

●開關（guān）電源其他的（de）輻（fú）射源如印製線與機殼之（zhī）間分（fèn）布電容引起的共模輻射、內部電路（lù）工作時產生的差（chà）模輻射（shè）等（děng），與前麵的幾個輻射源相比（bǐ）要小得多。

3.3 輻射騷擾的解決（jué）措施

上麵分析了輻射騷擾產生的原（yuán）因和開關電源的輻射源，再解（jiě）決開（kāi）關電源的輻射問題（tí）就比較容易了。

3.3.1 開關管發射源引起的輻射發射

上麵所介紹的輸入端口的傳（chuán）導騷擾，是通過（guò）輸入線向外發射的（de），同時，輸入線又是（shì）一個天線，共模電流在流過輸入線（xiàn）的時候，就會向空間發射電磁能量，產生（shēng）輻（fú）射騷擾，因此對於上麵（miàn）解決傳導發射的措施，在減小（xiǎo）了傳導發射的同時，也大大減小（xiǎo）了輸入端口的輻（fú）射發射。

對於輻射源 DC/DC 開關管，也可（kě）以采取與PFC 開關管的相同的措施，來（lái）減小驅動源的電壓幅度（dù），較小輻射發射的（de）強度（dù）。

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

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

3.3.2 DC/DC 整流管、續流管發射源

對於 DC/DC 整流管、續流管（guǎn）發射源，除了增加吸收，減小二極管兩端的峰值電壓、在二極（jí）管的管（guǎn）腳上（shàng）套飽和磁環以減小反向恢複電流外，還可以采取以下措施。

1. 在整流管、續流管與散熱器的接觸點（diǎn）附近對輸出（chū）地接電容，如下圖 10 所示：

圖中C2 是（shì）二極管VD1 和VD2 與散熱器之間（jiān）的耦合電容，容量（liàng）一般在幾十PF，C3 是增加（jiā）的電容（róng），C3 要遠大於C2，DC/DC 整流管、續流管上的電壓峰值經過C2 與C3 的（de）分壓，幅度（dù）大大降低，就可以大大減小向外的輻射。

2. 采用如（rú）下圖 11 所示的（de）電路形式。

在上圖的（de）電路形式中（zhōng），將輸出濾波電感放（fàng）在（zài）輸出的負端，VD1、VD2 的輸出直接（jiē）接在輸出濾波電容的正端，這樣，整流管、續流（liú）管的陰極接固定電平（píng），通過陰（yīn）極連接的散熱麵與散（sàn）熱器之間的耦合電容向（xiàng）外流動的共模電流就（jiù）會大大減小，從而大（dà）大減小輸出端口的輻射電平（píng）。

3.3.3 機箱屏（píng）蔽

開關（guān）電源的輻（fú）射除了上述的輻射源主（zhǔ）要通過輸入輸出端口向外輻射以外，電源的控製電路、驅動、輔助電源、變壓器、電（diàn）感（gǎn）等直（zhí）接向空間輻射電磁能量，因此需要采用機箱進行屏蔽，機箱屏蔽要考慮機箱的材料、厚度和孔縫對屏蔽效能（néng）的影響。

1.吸收損耗

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

我們將電磁波衰減到原來 1/e，即0.37 倍時的距離稱為（wéi）集（jí）膚深度δ

集膚深度δ與材料的性能和頻率有關，可用下（xià）麵的公（gōng）式表示：

公式（shì）中，μ是材料的磁導率，σ是材料的電導率。

2. 反（fǎn）射損耗

當（dāng）電磁波到達兩種介質表麵時，因阻抗不匹配而發（fā）生反射，所引（yǐn）起（qǐ）的電磁波能量損耗稱為反射損耗。

輻射騷擾所（suǒ）測試（shì）的頻率（lǜ）範圍是 30MHz～1000MHz。如果單純的隻考慮30MHz 以上的電磁屏（píng）蔽，薄薄一層的導體就可以達到很高的屏蔽效能，但對於頻率比（bǐ）較低的電場或磁場，就要考慮屏蔽所使用的材料（liào）和（hé）厚度了。

3. 孔縫對屏蔽的影響

在實際的應用當中，機箱上總是存在有接線（xiàn）孔、通風孔以及機箱各麵之間的連接縫隙，如果機箱的孔縫尺寸不（bú）合理，將使（shǐ）屏蔽效能大大降低，一般來說，孔縫的尺寸應小於十分之一到百分之一的波長，才（cái）能達到相應的屏（píng）蔽效果。如果上（shàng）限頻率按1000MHz 來考慮，孔縫的尺寸（cùn）應小於：3～0.3cm。由於開（kāi）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。