淺談電源適配器電磁干擾設(shè)計(jì)及優(yōu)化整改方案

林 偉

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

電磁兼容性能是衡量電源適配器可靠性的重要指標(biāo)，國(guó)際電工委員會(huì)把電磁兼容的定義為：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。電磁兼容分為電磁干擾（EMI）及電磁耐受性（EMS）兩部分，EMI即電磁干擾，是指設(shè)備本身工作工程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲，國(guó)外以及國(guó)內(nèi)也針對(duì)電源適配器的電磁兼容制定了專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試管控標(biāo)準(zhǔn)。因此合格的電源適配器必須要符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，而電磁干擾更是電源適配器實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)難題，測(cè)試EMI需要專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室資源，沒(méi)有方法和專(zhuān)業(yè)技巧的盲目設(shè)計(jì)只會(huì)浪費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力，相信很多設(shè)計(jì)者在電磁干擾方面都吃過(guò)苦頭，可能很多設(shè)計(jì)者有過(guò)通過(guò)優(yōu)化變壓器整改EMI的經(jīng)歷，變壓器廠商也會(huì)告訴關(guān)于變壓器的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，本文就不再介紹了，因?yàn)殡娫催m配器的主體設(shè)計(jì)在電路方面，大部分設(shè)計(jì)人員也是從事該領(lǐng)域相關(guān)工作，下面就從電路設(shè)計(jì)角度介紹幾個(gè)電源適配器在電磁干擾設(shè)計(jì)以及優(yōu)化整改方面的實(shí)用技巧。

1 合理取舍濾波電路

電源適配器前級(jí)交流輸入拓?fù)渲型ǔ?huì)使用濾波電路，對(duì)電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制作用，防止對(duì)電源本身干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾，是抑制EMI有效方法。如圖1所示，濾波電路適用于大多數(shù)電源適配器，其中CX為X電容、L1為共模電感（個(gè)別電路也有使用差模電感的，要區(qū)分主要干擾類(lèi)型），共同組成了前級(jí)濾波，在幾十W以上的電源適配器電路中絕大多數(shù)是不能省掉的，C和L要根據(jù)濾波電路的截止頻率和對(duì)應(yīng)測(cè)試頻率進(jìn)行計(jì)算，注意關(guān)注共模電感的頻率與阻抗特征曲線，選型應(yīng)用時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)試頻率范圍在較高阻抗范圍內(nèi)對(duì)干擾的抑制效果最優(yōu)；另外建議CX1和CX2選型量級(jí)上要拉開(kāi)倍數(shù)，形成帶寬濾波效果，調(diào)整X電容對(duì)特定窄頻段會(huì)有效果，而L1調(diào)整可能會(huì)影響較大頻段范圍，而且可能會(huì)對(duì)騷擾功率（DP）和騷擾電壓（DV）都有影響，所以建議設(shè)計(jì)者最先確定L1選型，再進(jìn)行后續(xù)電路的優(yōu)化EMI調(diào)整，帶地線插頭的可能還會(huì)使用到Y(jié)電容，由于實(shí)際電源適配器的共模干擾路徑復(fù)雜且疊加作用[2]，通常仿真起來(lái)較為困難，難以仿真到精準(zhǔn)，有測(cè)試條件的可以針對(duì)共模電感進(jìn)行插入損耗測(cè)試，會(huì)幫助你更合理的選型設(shè)計(jì)濾波電路。大功率電源適配器如果空間足夠的，建議在CX1前預(yù)留再預(yù)留一個(gè)共模電感，兩個(gè)共模電感感量也要拉開(kāi)量級(jí)，組成多級(jí)帶通濾波電路，EMI抑制效果會(huì)更佳。設(shè)計(jì)人員在PCB設(shè)計(jì)布線時(shí)，要注意L與N線并行，滿足安規(guī)距離前提下盡量減小差?；芈访娣e，并且PCB布局上注意和后級(jí)高頻開(kāi)關(guān)電路走線盡量拉遠(yuǎn)，避免耦合干擾，如圖2所示。

圖1 強(qiáng)電濾波

圖2 共模電感頻率阻抗特征曲線

2 RCD電路細(xì)節(jié)調(diào)整

RCD是另一個(gè)優(yōu)化EMI的調(diào)整手段，在反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源中，開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于高頻變壓器漏感的存在，在變壓器器一次繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，該尖峰電壓和直流高壓以及次級(jí)感應(yīng)電壓疊加對(duì)開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生較高的應(yīng)力，RCD起到吸收和嵌位作用保護(hù)開(kāi)關(guān)管；盡管如此由于開(kāi)關(guān)管頻繁開(kāi)關(guān)，電路中的電感及寄生電感中快速的電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電壓尖峰：UL=LdiL/dt；在電路中的電容及寄生電容中快速的電壓變化產(chǎn)生電場(chǎng)從而產(chǎn)生較高的電流尖峰：ic=Cduc/dt。合理的RCD參數(shù)選型搭配，可以一定程度上可以減小電壓/電流變化率從而減小EMI干擾；首先根據(jù)功率開(kāi)關(guān)管應(yīng)力以及電源效率等方面選型確認(rèn)RCD參數(shù)后，可以適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)優(yōu)化EMI。如圖3、4所示，為電路拓?fù)?，這里給大家介紹幾個(gè)實(shí)用的工程經(jīng)驗(yàn)：R量級(jí)為幾十K～幾百K，電容C通常為幾nF，二極管D通常選用快恢復(fù)二極管管，但在實(shí)際開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程過(guò)程中，反向恢復(fù)更長(zhǎng)的二極管能夠抑制漏感引起的諧振，例如慢管4007（反向恢復(fù)時(shí)間1 000 ns以上）在較多開(kāi)發(fā)案例中對(duì)EMI抑制效果要優(yōu)于FR107（反向恢復(fù)時(shí)間150 ns以上）；但要注意使用慢管時(shí)損耗問(wèn)題，要測(cè)試評(píng)估器件溫升和電源效率等相關(guān)問(wèn)題；另外一個(gè)實(shí)用技巧，下方的拓?fù)潆娐穼?duì)比常規(guī)電路增加了電阻r,與二極管串聯(lián)，可以起到抑制振蕩的作用，尤其對(duì)輻射測(cè)試有較好效果，r選型量級(jí)通常為幾十Ω，過(guò)大要注意該電阻損耗。最后總結(jié)并給設(shè)計(jì)者建議，RCD電路選型涉及開(kāi)關(guān)管應(yīng)力、器件損耗、電源效率和工作穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)者在根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)量級(jí)調(diào)整的同時(shí)，要進(jìn)行相關(guān)方面的包括工作波形的全面測(cè)試評(píng)估。

圖3 RCD電路

圖4 開(kāi)關(guān)電源波形（Vds）

3 巧用磁環(huán)濾波優(yōu)化EMI

除了電路元件參數(shù)調(diào)整以外，利用磁環(huán)優(yōu)化EMI也是常用的有效手段。相信大多設(shè)計(jì)者對(duì)磁環(huán)并不陌生，大多選用鐵氧體作為制作磁芯材料，作用機(jī)理上屬于吸收型濾波器范疇，在特定頻段范圍表現(xiàn)為較高阻抗特性從而起到濾波作用，尤其對(duì)高頻噪聲具有良好的抑制效果。磁環(huán)除了纏繞在電源線或者信號(hào)線上的形勢(shì)之外，在電源適配器的設(shè)計(jì)中還可以使用如下這種套在元件引腳上的精細(xì)小磁環(huán)，功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管是影響EMI的關(guān)鍵器件[3]，如圖5所示，這種磁環(huán)是相關(guān)行業(yè)廠商專(zhuān)門(mén)為此設(shè)計(jì)，可以套在對(duì)應(yīng)器件引腳上面，在本人一個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)中，騷擾功率測(cè)試不合格，電路使用的TO-252封裝型式的整流二極管，引腳直徑約為1.2 mm左右，專(zhuān)門(mén)選型了這種小磁環(huán)，中心通孔尺寸C為1.4 mm，壁厚也滿足要求二極管引腳間距，剛好可以套在引腳上，根據(jù)不合格頻段結(jié)合磁環(huán)的“頻率阻抗-特性曲線”選型對(duì)應(yīng)磁環(huán)，使用后測(cè)試終掃數(shù)據(jù)上可以提升約幾dB，效果也是比較明顯，電源適配器設(shè)計(jì)中如果電路元件參數(shù)本身已經(jīng)沒(méi)有明顯優(yōu)化方案，可以采用該方法。另外要特別關(guān)注磁環(huán)的頻率阻抗-特性曲線，通常磁環(huán)要在對(duì)應(yīng)不合格頻率段附近呈現(xiàn)較大阻抗才會(huì)對(duì)EMI有明顯效果。雖然功率開(kāi)關(guān)管和整流二極管可以通過(guò)增加磁珠的方式抑制噪聲干擾，但是不推薦盲目增加，雖然成本不高但是影響實(shí)際生產(chǎn)裝配效率，合理并且代價(jià)最小的優(yōu)化手段才是優(yōu)秀設(shè)計(jì)者的方案，這里共享給大家一個(gè)鑒別噪聲干擾大小的方法，我們使用近場(chǎng)探頭靠近功率開(kāi)關(guān)管和整流二極管測(cè)試，可以對(duì)比兩個(gè)位置的噪聲大小并結(jié)合頻率數(shù)據(jù)初步判斷測(cè)試頻段的主要噪聲干擾位置，針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 磁珠結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 磁珠阻抗特性曲線

4 結(jié)論

本文從電路設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際電源適配器的開(kāi)發(fā)案例以及多年開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，跟設(shè)計(jì)者及讀者們分享幾個(gè)優(yōu)化電磁干擾設(shè)計(jì)的有效方法，分別是合理取舍濾波電路、RCD電路細(xì)節(jié)調(diào)整以及巧用磁環(huán)濾波，同時(shí)也闡述了濾波走線的注意要點(diǎn)以及關(guān)鍵器件參數(shù)選型的注意事項(xiàng)，電源適配器的電磁干擾是磁場(chǎng)和電場(chǎng)疊加的一個(gè)相對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景，在實(shí)際設(shè)計(jì)中除了理論和仿真務(wù)必要結(jié)合實(shí)際測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中通過(guò)控制變量法針對(duì)性測(cè)試和整改，電磁干擾優(yōu)化調(diào)整的同時(shí)要注意對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)做個(gè)全面測(cè)試評(píng)估，希望本文提到的相關(guān)內(nèi)容能幫助到大家，后續(xù)會(huì)繼續(xù)跟大家分享電源適配器設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也希望與眾多設(shè)計(jì)者進(jìn)行技術(shù)交流。