高頻開關電源的電磁兼容解決辦法

隨著高頻開關電源（yuán）技術的不斷完善和日趨成熟，其在鐵路信號供電（diàn）係統中的應用也在（zài）迅速增加。與此同時，高頻開關電源自身存在的電磁幹擾（EMI）問題如果處理不好，不僅容易（yì）對電網造成汙染，直接影響其他用（yòng）電設備的正常工作，而且（qiě）傳入空間也易形成（chéng）電磁汙（wū）染，由此產生了高頻開（kāi）關電源的電磁兼容（EMC）問題。

高頻開關電源等電子產品電磁兼容重要性的凸現，我（wǒ）們應該在產品（pǐn）設計初期階段，同時（shí）進行電磁兼容設計，此時結構和電路方（fāng）案尚未定型，可選用的方法較多。如果等到生產階段再去解決，不但（dàn）給技術和工藝上帶來很大難度，而且會造成人力（lì）、財力和時間的極大（dà）浪費。所以（yǐ），要走出設計修改法的誤區（qū），正（zhèng）確運用係統設（shè）計法。

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

高頻開關電源的電路結構

高頻開（kāi）關電源的主（zhǔ）拓撲電路原理，如（rú）圖1所示。

高頻開關電源電磁幹擾源的分（fèn）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、輸出整流二極管D1～D2都是高（gāo）頻開關電源工作時產生電（diàn）磁幹擾的主要幹擾源，具體分析如下。

（1）整流（liú）器整流過程（chéng）產生的高次諧波會沿著電源線產生傳導幹擾和輻射幹擾。

（2）開關功率管工作在高頻導通和截止的狀態，為了降低開關損耗，提高電源功（gōng）率密度和整體效率，開關管的打開和關斷的速度（dù）越來越快，一般在幾微（wēi）秒，開關管以這樣的速度（dù）打開和關斷，形（xíng）成了浪湧電壓和浪湧電流，會產生高（gāo）頻高（gāo）壓的尖峰（fēng）諧波，對（duì）空間和交（jiāo）流輸入（rù）線形（xíng）成電（diàn）磁幹擾。

（3）高頻變壓器T1進行功率變換的同（tóng）時，產（chǎn）生了交變的（de）電磁場，向（xiàng）空間輻射電磁波，形成了輻射幹擾。變壓（yā）器（qì）的分布（bù）電感和電容產生振蕩，並通過變壓器初次（cì）級之間的（de）分（fèn）布電容耦合到交流輸入（rù）回路，形成傳導幹擾。

（4）在輸（shū）出電壓比較低的（de）情況下，輸出整流二極管工作在高頻開關狀態，也是一種電磁幹擾源（yuán）。

由於二（èr）極管（guǎn）的引（yǐn）線寄生電感、結電容的存在（zài）以及反向恢複電流的影響，使之工作在很高的電壓和電流變化率下，二極管反（fǎn）向恢複的（de）時間越長，則尖峰電流的影響也越大，幹擾信（xìn）號就越強（qiáng），由此產生高（gāo）頻衰減振蕩，這是一種差模傳導幹擾。

所有產生的這些電磁信（xìn）號，通過電源線、信號線、接地線等金屬導（dǎo）線傳輸到外部電源形成傳導幹擾。通（tōng）過導線和器件輻射或通過充當天線（xiàn）的互連（lián）線輻射的幹擾信號造成輻射幹擾。

針對高頻開關電源電磁幹擾的電磁兼容設計

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

（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頻共模，另一方麵減小通過電源線輻射的幹擾能量。

（3）電（diàn）源線（xiàn）盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環（huán）路麵積（jī）；把輸入交流電源線和輸出直流（liú）電源線分開走線，減小輸入輸出間（jiān）的電磁耦合；信號線遠離電（diàn）源線，靠近地線走線，並且走線不要過長（zhǎng），以減（jiǎn）小回路（lù）的環麵積；PCB板上的線條寬（kuān）度不能突變，拐角采用圓弧過渡，盡量不采（cǎi）用直角或尖角。

（4）對（duì）芯片和MOS開關管安裝去耦電容（róng），其（qí）位置（zhì）盡可能地靠近並聯在器件的電源和接（jiē）地管（guǎn）腳。

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

（6）在開關管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路，吸收浪湧電壓。

高頻開關電源電（diàn）磁幹擾測試曲線

在3m法電波暗室（shì）對試驗（yàn）樣機進行測（cè）試，其L、N線的傳導幹擾檢測曲線如圖2、3所示，輻射幹擾的垂直極化掃描曲線如（rú）圖4、5所示。

根據鐵路客運專線（xiàn）標準規定，傳導幹擾限值和輻射幹擾限值如（rú）表1、2所示。

本開（kāi）關電源一次通過了傳（chuán）導幹擾的測試，測試波（bō）形如圖2、3所示。輻射（shè）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（jí）化指標超（chāo）標，最大超（chāo）標20dB，如圖4所示。

由測試（shì）結果可以看出，通過電磁兼容設計在傳（chuán）導幹擾抑製方麵取得了良好效果，在高頻段輻射幹擾的設計也達到（dào）了預期效果，下麵還需對（duì）在30～200MHz頻段範圍內的輻射幹擾進行改進設計。

高（gāo）頻開關電源輻射幹擾的（de）改進（jìn）設計

由（yóu）圖4可以看出，本開關電源存在輻射幹擾超標的現象，為了抑製電磁幹擾而使用鐵氧（yǎng）體元件（jiàn），價（jià）格便宜，效果明顯。鐵氧體元件等效電路是電感L和電阻R組成的串聯電（diàn）路，L和R都是頻率的函數（shù）。低頻（pín）時，R很小，L起主要作用，電磁幹擾被反射而受到抑製；高頻（pín）時，R增（zēng）大，電磁幹擾被吸收並轉（zhuǎn）換成熱能，使高頻（pín）幹擾大大（dà）衰減。不同的鐵氧體抑製元件，有不同的最佳抑製頻率範圍。總（zǒng）之（zhī），選擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條：

（1）鐵氧（yǎng）體的體積越大（dà），抑（yì）製效（xiào）果越好；
（2）在體積一定時，長而細的形（xíng）狀比短而（ér）粗的抑製效果好；
（3）內徑越（yuè）小抑製效果也越好；
（4）橫截麵越大，越不易飽和；
（5）磁導率越高，抑製的頻率就越低；
（6）鐵氧體抑製元件應當安（ān）裝在靠近幹擾（rǎo）源的地方；
（7）在輸入、輸出導線上安（ān）裝（zhuāng）時，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

根據上麵（miàn）對高頻（pín）開關電源幹擾（rǎo）源和鐵氧體元件的分（fèn）析（xī），決定在靠近幹擾源的地方套磁珠與磁環。圖1a中電容C1的接地端套（tào）鐵氧（yǎng）體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二極管（guǎn）D1和D2使用肖特基二極（jí）管，其（qí）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）繞兩圈且靠近出口處。經過處理後重新測試，其掃描曲線如圖6所示。由此可見，大部分頻段的輻射幹擾已被抑製到標準要求以下，但（dàn）在頻率81、138、165kHz附近處仍然超（chāo）標。

根據對開關電源電磁幹擾（rǎo）源的分析可知，在（zài）圖（tú）1b電（diàn）路中高頻變壓器T1也是一個（gè）幹擾源。為了阻止（zhǐ）高頻變壓器產生的幹擾信（xìn）號（hào）以輻射方式發射，把變壓器的外殼用屏（píng）蔽材（cái）料銅箔環繞一圈（quān）構成一回路加以屏蔽，以切斷變（biàn）壓（yā）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（shùn）間突變產（chǎn）生（shēng）的di／dt幹（gàn）擾，在變（biàn）壓器（qì）T1的一次側串進1個電感，以減小（xiǎo）器件（jiàn）的開通損耗，降低輻射幹擾信號。經過整改後，輻射幹擾大大下降，再次對（duì）本電源輻射幹擾進行測試，完（）全達到了標準要求，其測試結果如圖7所示。

與EMI相關的因素多且複雜，僅做到上述的幾點措施（shī）是遠遠不（bú）夠的，還有接地技術、PCB布局走線（xiàn）等都（dōu）很重要。電磁（cí）兼容的設計任重而道遠，我（wǒ）們要不斷進行研究探索，使（shǐ）我國的電子產品電磁兼容水平與國際同步。