開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

柳州汽車(chē)檢測(cè)有限公司 夏 圣

電磁兼容設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，本文首先對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的基本概念進(jìn)行介紹，然后對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的特點(diǎn)和來(lái)源進(jìn)行了分析，接下來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從不同的角度對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究。

受新技術(shù)的影響，開(kāi)關(guān)電源近年正不斷朝著高頻化、微型化、高效化的方向延伸，這些結(jié)構(gòu)的改變和技術(shù)的升級(jí)都使開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。在這樣的背景下，電磁兼容性設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的整體性能和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有著十分關(guān)鍵的影響，電磁兼容設(shè)計(jì)已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

1 電磁兼容性的含義

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility， EMC）是指電子設(shè)備在工作期間互不干擾的一種電氣性能指標(biāo)，也就是說(shuō)，電子設(shè)備自身要保持正常的工作狀態(tài)，同時(shí)又不以犧牲周邊電子設(shè)備的工作性能為代價(jià)。然而電子設(shè)備在工作期間總會(huì)通過(guò)各種方式產(chǎn)生相互的干擾，因而電磁兼容性設(shè)計(jì)的理念應(yīng)運(yùn)而生。每個(gè)電子產(chǎn)品都存在一定程度的電磁干擾，因此實(shí)際上我們周?chē)目臻g上充斥著復(fù)雜的電磁干擾。電磁干擾對(duì)于無(wú)線電通信的干擾尤為明顯，因此對(duì)電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行研究是十分必要的。

2 開(kāi)關(guān)電源EMC的特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的變壓變頻技術(shù)中主要采用了笨重而低效的工頻變壓器，開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)可以說(shuō)是電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次革命，它不僅體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，而且變壓范圍也得到了進(jìn)一步的擴(kuò)寬，效率也明顯高于傳統(tǒng)的電源產(chǎn)品。然而應(yīng)該注意到的是，開(kāi)關(guān)電源雖然體積更小了，但這對(duì)于電磁兼容設(shè)計(jì)而言卻是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楦佑邢薜目臻g內(nèi)要想減少電磁干擾變得更加困難了，在開(kāi)關(guān)電源接通或斷開(kāi)的瞬間由于尖峰電壓、漏感、分布電容的存在，會(huì)不可避免地帶來(lái)諧波干擾，這不僅會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)電源本身產(chǎn)生影響，也不利于周邊電子設(shè)備的穩(wěn)定工作。

3 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生

3.1 外部環(huán)境的干擾

開(kāi)關(guān)電源的正常工作會(huì)受到外部環(huán)境的影響，例如電網(wǎng)諧波、雷電、周邊電子設(shè)備等等，這些外部環(huán)境對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的影響是不相同的，但可以歸為兩類(lèi)，分別是差模干擾和共模干擾。由于電路中的阻抗不對(duì)稱(chēng)，可能造成兩種干擾信號(hào)在傳輸時(shí)以不同的分量同時(shí)出現(xiàn)并相互轉(zhuǎn)換。雷擊是一種常見(jiàn)的外部干擾源，雷電在電路中表現(xiàn)為一個(gè)很強(qiáng)的尖峰沖擊電壓，會(huì)造成電子設(shè)備的燒毀。無(wú)論是哪類(lèi)外部干擾，都是可以通過(guò)一定的技術(shù)手段進(jìn)行抑制的。

3.2 整流回路的干擾

在開(kāi)關(guān)電源電路中，整流回路包括一次整流回路和二次整流回路，由于電路功能和結(jié)構(gòu)的差異，這兩種干擾的表現(xiàn)是不一樣的。

在一次整流回路中，電網(wǎng)的交流電在整流之后被轉(zhuǎn)換為單向的脈沖直流，如果對(duì)其進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)它包含一個(gè)基波和一系列倍頻分量。這些倍頻分量又稱(chēng)為高頻諧波，會(huì)使電流波形出現(xiàn)畸變。在采用大電容進(jìn)行濾波之后，這些諧波仍然是不能完全清除的。對(duì)于二次整流回路中的整流管通常是以高速通斷狀態(tài)進(jìn)行工作的，不同的整流管之間會(huì)形成一個(gè)閉環(huán)，從而產(chǎn)生電磁輻射干擾。另外，二次整流回路中的一共關(guān)管由于存在一定的導(dǎo)通電阻和結(jié)電容，這些都會(huì)成為高頻振蕩的隱藏條件。

3.3 開(kāi)關(guān)回路的干擾

開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部集成一大量的開(kāi)關(guān)管，實(shí)際上，開(kāi)關(guān)電源對(duì)電能的轉(zhuǎn)換功能正是通過(guò)大量開(kāi)關(guān)管快速在通斷狀態(tài)之間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于切換的頻率非常高，因而會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾。另外，開(kāi)關(guān)電源有時(shí)候也會(huì)受負(fù)載漏感的影響而在開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生強(qiáng)烈的尖峰電壓，該電壓可能會(huì)恰好疊加在關(guān)斷電壓上，從而返回到電網(wǎng)中對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

3.4 變壓器的干擾

為了實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部一般會(huì)集成高頻變壓器，該變壓器不僅可以起到變壓作用，還可以對(duì)輸入回路和輸出回路之間進(jìn)行有效隔離。理想情況下，輸入輸出回路是互不干擾的，但實(shí)際變壓器總會(huì)存在漏感，從而帶來(lái)電磁感應(yīng)噪聲。另一方面，變壓器繞組之間也存在一定程度的分布電容和漏感，這樣就會(huì)使得產(chǎn)生的諧波由初級(jí)回路傳遞到次級(jí)回路，對(duì)電源的輸出質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

4 開(kāi)關(guān)電源總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在電子系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電源的作用主要就是把電網(wǎng)提供的交流電通過(guò)整流裝置轉(zhuǎn)換變?yōu)楹蠹?jí)設(shè)備正常工作所需的直流電源。為了使輸出的直流信號(hào)更加穩(wěn)定，通常不會(huì)加入濾波環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)。一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)電源主要包括：輸入整流電路、輸入濾波電路、逆變電路、控制電路、輸出整流電路、輸出濾波電路，以及其它輔助性的外圍電路等等。

在開(kāi)關(guān)電源的各部分電路中，輸入整流電路的作用是將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，其后一般緊跟一個(gè)濾波電路，可以使直流信號(hào)相對(duì)平滑一些。逆變電路的核心是一個(gè)高頻變壓器，可以把高壓直流信號(hào)進(jìn)行降壓。控制電路通常是一個(gè)負(fù)反饋電路，它可以參考電路的各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并與輸入進(jìn)行比較，不斷對(duì)輸入輸出量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出端的電壓和電流更加穩(wěn)定。輸出整流環(huán)節(jié)也可以將交流信號(hào)變換成直流信號(hào)，并進(jìn)一步降低電壓紋波，使輸出盡量保持平穩(wěn)。在以上電路中，逆變環(huán)節(jié)是控制環(huán)節(jié)是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的核心功能部件。

5 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 防雷電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于開(kāi)關(guān)電源的工作對(duì)外部干擾十分敏感，而雷電又是最常見(jiàn)且危害最嚴(yán)重的外部電磁干擾形式之一，做好防雷設(shè)計(jì)可以提高開(kāi)關(guān)電源的自我保護(hù)能力，因此防雷設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮。雷電產(chǎn)生的浪涌電壓經(jīng)過(guò)低阻抗的整流濾波環(huán)節(jié)后，會(huì)造成整流二極管電流過(guò)大而燒壞，同時(shí)電壓脈沖給濾波電容充電，超出其耐壓范圍而損壞。

根據(jù)這雷電的這一破壞原理，我們?cè)谶M(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的防雷設(shè)計(jì)時(shí)可以采用瞬變干擾吸收器，在輸入電壓大于設(shè)定范圍時(shí)會(huì)自動(dòng)限壓，將多余的能源引導(dǎo)到其它電路中去。

常用的限壓器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、保險(xiǎn)絲等等，它們的工作原理各不相同，但都可以起到電壓限制作用，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，可以根據(jù)成本、性能、電路結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。本文同時(shí)采用三種器件，當(dāng)雷擊浪涌電壓進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源輸入級(jí)后，壓敏電阻Rvz首先進(jìn)入擊穿區(qū)并轉(zhuǎn)入低阻態(tài)，通過(guò)鉗位將就將電壓穩(wěn)定在較小的范圍，但電流會(huì)急劇增加，這時(shí)由氣體放電管吸收并放電，使浪費(fèi)電流返回至干擾源。如果以上功能失效，保險(xiǎn)絲會(huì)由于高溫熔斷而切斷電路，保護(hù)開(kāi)關(guān)電源其它器件不受損壞。

5.2 濾波電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率極高，因此需要高頻方波信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)。眾所周知，方波信號(hào)在頻譜中包含了大量的高頻諧波成分，這些高頻諧波會(huì)傳導(dǎo)至后級(jí)電路產(chǎn)生干擾，而一般是通常濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)來(lái)解決該問(wèn)題的。濾波環(huán)節(jié)不僅可以防止高頻成分進(jìn)入用電設(shè)備，還可以防止用電設(shè)備的諧波反向傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

考慮到開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，其共模噪聲通常有很大高的阻抗值，所以要通過(guò)一個(gè)大電容來(lái)進(jìn)行濾波，但要求其阻抗不能太高。另一方面，開(kāi)關(guān)電源的諧波成分一般其阻抗不會(huì)太高，因此只需要串聯(lián)一個(gè)電感器即可起到較好的濾波效果，但要求電感的阻抗要盡量高一些。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮差模和共模成分的比例，根據(jù)具體情況選擇參數(shù)，通過(guò)電路仿真進(jìn)行調(diào)優(yōu)，采用最佳的電路結(jié)構(gòu)和電優(yōu)阻抗參數(shù)。

5.3 軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)在啟動(dòng)時(shí)一般不做特殊處理，啟動(dòng)過(guò)程不受控制，也就是平時(shí)所講的硬啟動(dòng)。但是硬啟動(dòng)由于會(huì)出現(xiàn)電流或電壓尖峰，可能對(duì)器件造成損壞。因此采用軟啟動(dòng)可以在一定程度上緩解以上問(wèn)題，這也是電磁兼容設(shè)計(jì)的重要改進(jìn)。

本文采用了比較常用的NE555繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)。該器件內(nèi)部集成了一個(gè)高精度計(jì)時(shí)器，可以完成精確的計(jì)時(shí)任務(wù)，從而在所需的時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)確完成動(dòng)作的控制。該器件的工作電壓范圍在4.5V～18V均可，工作電流不能超過(guò)6mA，輸出電平響應(yīng)時(shí)間在100ns以內(nèi)，可以較好地滿足開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)的需求。繼電器與一個(gè)電阻并聯(lián)，避免沖擊電流燒毀器件。在開(kāi)關(guān)電源接通后，通過(guò)繼電器開(kāi)始計(jì)時(shí)，在0.2s～0.5s的時(shí)候再控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，既不過(guò)度影響電路響應(yīng)時(shí)間，又可以對(duì)沖擊電流進(jìn)行有效的緩沖，從而顯著減少開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)階段的電磁干擾。

5.4 同步整流設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)二極管的基本特性，二極管在導(dǎo)通的瞬間，其兩端的電壓并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的方波，而是會(huì)出現(xiàn)一尖峰再回到正常電壓，這種反向恢復(fù)的特點(diǎn)使二極管的每一次導(dǎo)通或判斷都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁干擾信號(hào)。

在以往的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，多采用電阻較高的肖特基二極管來(lái)完成整流工作，如果輸出不高，這種設(shè)計(jì)會(huì)造成效率的明顯損失。本文采用高性能MOS管作為同步整流器件，進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻，使得更多的輸入功率可以轉(zhuǎn)化為有功功率，避免不必要的損耗，同時(shí)有效降低開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾。

結(jié)語(yǔ)：在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁兼容性是必須考慮的重要問(wèn)題之一，設(shè)計(jì)者應(yīng)采取有效的措施持續(xù)降低開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，只有解決了電磁兼容問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源才能更好地朝著微型化、集成化的方向持續(xù)發(fā)展。