摘 要：闡述高頻開關電源主電路的組成，針對高頻開關電源的工作特點，從開關電源中的各組成部分出發，探討開關電源電路、印制電路板的EMC設計及屏蔽等電磁干擾抑制的方法。通過這些方法的實施，確保高頻開關電源滿足電磁兼容標準的要求。 關鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；抑制措施；高頻開關電源；印制電路板 0 引言 目前，在計算機及外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域中大量使用高頻開關電源，但高頻開關電源的突出缺點是能產生較強的電磁干擾（Electro Magnetic Interference,EMI）。 由于高頻開關電源的一次整流橋是非線性器件，其形成的電流是嚴重失真的正弦半波，含有豐富的高次諧波，形成了一系列連續、動脈和瞬變干擾。因此，在高頻開關電源設計中必須考慮電磁兼容性（Elctro Magnetic Compatibility,EMC）的設計。 電網完全在自然環境中，連接著各種電子電氣設備，有著復雜的電磁轉換過程，可能會引起一些問題：外來噪聲使高頻開關電源設備的控制電路出現誤動作；通信設備由于高頻開關電源設備的噪聲而出現誤動作；高頻開關電源設備對電網產生噪聲污染；高頻開關電源設備向空間散發噪聲。 根據上述情況，針對高頻開關電源存在的缺點，在此對其電路及印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）進行了電磁兼容性的設計研究。 1 高頻開關電源的EMC設計 1.1 高頻開關電源主電路組成 高頻開關電源主電路組成框圖如圖1所示，它由輸入濾波電路、高頻逆變電路、輸出整流電路及輸出直流濾波電路等組成。 1.2 輸入濾波電路的EMC設計 輸入濾波電路的EMC設計如圖2所示。 VD[sub]2[/sub]為瞬態電壓抑制二極管，R[sub]V1[/sub]為壓敏電阻，它們都具有很強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護后級元氣件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z[sub]1[/sub]為直流抗電磁干擾濾波器，必須良好接地，且接地線要短。L[sub]1[/sub]和C[sub]1[/sub]，組成低通濾波電路，當L[sub]1[/sub]的電感量較大時，必須增加VD[sub]1[/sub]和R[sub]1[/sub]形成續流回路，以吸收L[sub]1[/sub]斷開時釋放時的電場能量，否則，產生的電壓尖峰就會形成EMI。L[sub]1[/sub]的磁芯使用閉合磁芯，可以避免開環磁芯的漏磁場形成EMI。C[sub]1[/sub]采用大容量的電容，可以減少輸入線上的紋波電壓，減弱在輸人導線周圍形成的電磁場。 1.3 高頻逆變電路的EMC設計 高頻逆變電路的EMC設計如圖3所示。 C[sub]2[/sub]，C[sub]3[/sub],VT[sub]2[/sub],VT[sub]3[/sub]組成半橋逆變電路，VT[sub]2[/sub]，VT[sub]3[/sub]為IGBT或MOSFET等開關管。R[sub]4[/sub]和C[sub]4[/sub]構成EMI吸收回路，在VT[sub]2[/sub]，VT[sub]3[/sub]兩端并聯C[sub]5[/sub]，C[sub]6[/sub]，由于VT[sub]2[/sub]，VT[sub]3[/sub]開通和關斷時，開關時間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產生較高的di/dt,du/dt,從而形成EMI。C[sub]4[/sub]，C[sub]5[/sub]，C[sub]6[/sub]采用低感電容，其容量的大小由公式 LI[sup]2[/sup]/2=C△U[sup]2[/sup]/2求得C的值（L為回路電感，I為回路電流，△U為過沖電壓值）。 1.4 輸出整流電路的EMC設計 輸出整流電路的EMC設計如圖4所示。 VD[sub]6[/sub]為整流二極管，VD[sub]7[/sub]為續流二極管。由于VD[sub]6[/sub],VD[sub]7[/sub]工作于高頻開關狀態，是產生EMI的主要源頭。把R[sub]5[/sub]，C[sub]12[/sub]和R[sub]6[/sub],C[sub]13[/sub]分別連接成VD[sub]6[/sub]，VD[sub]7[/sub]的吸收回路，用于吸收其開關時產生的電壓尖峰。 減少整流二極管的數量可減少EMI的能量，因此，在同等條件下采用半波整流比全波整流和全橋整流產生的EMI要小。為減少二極管的EMI，選用具有軟恢復特性的、反向恢復電流小的且時間短的二極管。 1.5 輸出直流濾波電路的EMC設計 直流EMI濾波器雙端口網絡模型如圖5所示，其混合參數方程為： 式中：g[sub]11[/sub]為輸入導納；g[sub]22[/sub]為輸出阻抗；g[sub]12[/sub]為反向電流增益；g[sub]21[/sub]為正向電壓增益。 由式（1）可以等效出如圖6所示的原理圖。 直流EMI濾波器的設計必須滿足以下的要求： （1）要保證濾波器在濾波的同時不影響電源的帶負載能力； （2）對于輸入的直流分量，要求濾波器盡量不造成衰減； （3）對于諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果。 結合混合參數方程及等效原理圖，根據第一條要求，應使濾波器的輸入導納和輸出阻抗盡可能小，即g[sub]11[/sub]=g[sub]22[/sub]＝0。根據第二條要求，在低頻時反向電流增益g[sub]12[/sub]和正向電壓增益g[sub]21[/sub]的設計值要盡量為1，而輸入導納和輸出阻抗盡可能小，即g[sub]12[/sub]＝g[sub]21[/sub]＝1，g[sub]11[/sub]=g[sub]22[/sub]=0。根據第三條要求，在高頻時，g[sub]11[/sub]，g[sub]12[/sub]，g[sub]21[/sub]，g[sub]22[/sub]都要盡可能的小。根據以上的條件，輸出直流濾波電路的EMC設計電路如圖7所示，L[sub]2[/sub],C[sub]17[/sub],C[sub]18[/sub]組成LC濾波電路，減少輸出電壓、電流紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的EMI。濾波電容C[sub]17[/sub]，C[sub]18[/sub]應盡量采用多個電容并聯，以減小等效串聯電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L[sub]2[/sub]應盡量大，以減小輸出紋波電流。 C[sub]19[/sub]用于濾除導線上的共模干擾，選用低感電容，接線要短。C[sub]20[/sub]，C[sub]21[/sub]，C[sub]22[/sub]，C[sub]23[/sub]用于濾除輸出線上的差模干擾，選用低感的三端電容。Z[sub]2[/sub]為直流濾波器，濾波器的輸入、輸出線要屏蔽隔離。 1.6 開關電源印制電路板的EMC設計 印制電路板是高頻開關電源設計的最后一個環節，如果印制電路板設計不當，由于PCB上既有小信號控制線，又有高壓母線，還有高頻功率開關和磁性元件，將直接影響到電路中各元件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性，造成電源工作不穩定。單根導線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成，其計算公式如下兩式所示。 式中：l為導線的長度；b為導線的寬度。 顯然，印制線越短，直流電阻R就越小，同時增大印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。從式（3）可知，印制線長度l越短，自感L就越小，而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，由互感M計算公式（4）可知，除受印制板的長度和寬度影響外，印制線的距離也起著重要作用。 式中：s為兩線之間的距離。增大兩線之間的距離可減小互感。 由以上分析可知，在設計PCB時，應盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其他印制線都有電感，當電源電流變化較大時，將會產生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應盡量縮短地線，盡量加粗電源線和地線線條。 2 結語 電磁兼容是一個十分復雜的問題，在設計高頻開關電源時，應對電源可能的電磁環境進行充分估計，可能全面地考慮高頻開關電源與外界環境的耦合途徑，利用各種抑制干擾技術來消除干擾耦合，增強高頻開關電源的抗干擾能力。主要的措施包括合適的接地，良好的搭接，合理的布線及屏蔽、濾波、限幅等。只有在設計時充分考慮EMC的設計，才能使高頻開關電源的電磁干擾降到最低點。 參考文獻： [1]曲學基，曲敬鎧，于明揚．電力電子濾波技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2008． [2]周志敏，周紀海，紀愛華．開關電源實用電路[M]．北京：中國電力出版社，2006． [3]周志敏，周紀海，紀愛華．現代開關電源控制電路設計與應用[M]．北京：人民郵電出版社，2005． [4]劉勝利．現代高頻開關電源實用技術[M]．北京：電子工業出版社，2001． [5]曲學基，曲敬鎧，于明揚．電力電子整流技術及應用[M]．北京：電子工業出版社，2007． 詳情請點擊： 高頻開關電源的EMC設計