第二 章部分
开 关电 源 电 磁 骚扰 产 生 机 理及 抑 制 需 要 工 程 师 根 据 实 际 的 具 体 问 题 来 决 定 ， 这 是 由 于 市 面 上 通 用 的 E M I 滤 波 器 是在 5 0Ω 条 件下 测 量 的其 插 入损 耗值 ， 大 多 数时 候 它并 不能 解 决 干 扰的 问 题。 所 以 ， 为 了更 好的 进 行电 磁 兼 容设 计 ， 需 要将 传 导 干扰 的 特性 描述 准 确 ， 并对 电 磁 干 扰的 特 点 具体 量化 。 由于 开关 电 源一 般 工 作在 几 十 KH z 到 20 0K H z 的 范围 内 ， 考虑 到 开 关 波 形的 谐 波 成分 ，骚 扰 的频 率 也 就在 3 0M 的范 围 ， 因 此 在 30 M 频率 范围 以 内的 骚 扰为 传导 骚 扰 。
2、 辐 射干 扰 EM C 辐 射干 扰 是 一 种常 见 的 空间 传 播 的电 磁 干 扰 形式 ， 是指 电磁 能 量 （一 般 是 指干 扰 的 电 磁 能 量 ） 以 电 磁 波 的 形 式 在 空 间 中 进 行 传 播 ， 传 播 的 载 体 不 仅 局 限 于 空 间 ，在 真 空 中 也 是 可 以 传 播 的 。 电 磁 干 扰 在 空 间 传 播 的 过 程 中 若 是 遇 到 EM C 易 感 仪 器 ，就会 耦 合 到 该 电 路 中 ， 从 而 形 成 了 对 电 路 的 EM C 干 扰 信 号 。 同 时 ， 辐 射 干 扰 也 是 一种能 量传 递 的过 程 。 一般 这 种 形 式的 电 磁 波干 扰 是由 一个 电 路 空 间传 播 到 另 一个 电 路 中 ， 因 此 ， 干 扰 源 可 能 比 较 远 。 但 是 ， 在 开 关 电 路 中 ， 由 于 晶 体 开 关 管 、 滤 波 电 容 、高频 电压 器 等都 可 以 看做 电 磁 波 辐射 源 ， 根据 磁 场的 原理 ， 当 电 源工 作 时 ， 它们 时 刻 都在 向周 围 辐射 电 磁 干扰 信 号 ， 开关 电 源 的主 要 辐射 干扰 就 是 由 这些 信 号 叠 加起 来 而 形成 的 。 由 国 家 认 证 认 可 监 督 管 委 会 颁 布 的“ 机 内 开 关 电 源 的 认 证 试 验 项 目 一 览 表” 中 ，列出 了 多 种 EM C 测 试 。 这 些 测 试 涵 盖 了 各 种 商 业 、 工 业 及 实 验 室 环 境 中 的 常 见 的 各类电 磁干 扰 测试 ， 同 时作 为 一 个 强制 标 准 ，这 些 测试 直接 保 证 了 在国 内 生 产 销售 的 电 子设 备的 电 磁兼 容 性 。而 开 关 电 源不 仅 是 一种 电 磁易 感的 电 子 设 备， 它 对 外 发射 的 电 磁骚 扰对 其 它设 备 而 言也 是 不 易 忽视 的 。 同时 ， 开关 电源 大 多 数 是作 为 电 子 电力 设 备 的一 部 分 而非 独 立 实 现功 能 ， 故 ，它 的 对 外电 磁 辐 射 程度 必 须 控制 在 一 定 范围 内 。
2 .2面 要素 ， 即 干 扰源 、 传 播途 径、 受 扰设 备 。 因此 ， 我 们 应从 这 三 个方 面 入手 来优 化 和 改 善开 关 电 源 的电 磁 兼 容性 能，
即 ：1 、 减 少干 扰 源产 生的 对 外 辐 射的 电 磁干 扰信 号 ；
2 、在 传 播 途 径上 切 断 干扰 信号 的 传播 ；
3 、对 受 扰设 备加 强 其 抗 电磁 干 扰的 能力 ， 即 使 其对 噪 声 电 流的 反 应 不灵 敏 。 因 此 ， 在 设 计 上 ，不 仅 可以 从 电 路 措施 上 或者 EM I 滤波 和关 键 元 件 的选 择 上 来抑 制电 磁 干扰 ， 也可 以通 过 提 高 电路 板 的 抗干 扰 能力 或是 采 用 屏 蔽技 术 来 抑 制干 扰 。 2 、 对电 磁 干 扰传 播 能力 的衰 减 和 阻 隔； 3 、增 强设 备 的 抗 电磁 干 扰 能 力， 尤 其 是电 磁 敏 感设 备 。 下面 将 分 节讨 论 传 播途 径 和 抑 制方 法 。 2 . 1 电 磁 干 扰 的 传 播 途 径电磁 干 扰 的途 径 主 要 有传 导 和 辐 射两 种 方 式。 在开 关 电源 工 作 过程 中 , 高 电压 和 大 电 流 的 开 关 波 形 必 然 会 产 生 传 导 和 辐 射 的 电 磁 骚 扰 发 射 , 所 以 在 电 源 设 计 中 一 定 要 考虑这 一 问 题, 设 法 衰减 或 者 吸 收 EM I 的发 射 ， 使其 不 超 过标 准 的 安 全范 围 。 1、 传 导干 扰 开关 电 源 的电 磁 骚 扰 的产 生 ， 主要 是 由 于开 关 管 、 高频 变 压 器及 输 出 整 流滤 波 电 路 在 工 作 时 通 过 的 电 流 和 施 加 的 电 压 短 时 变 化 率 较 大 ， 即 d u/ d t 和 di / dt 的 斜 率 较 大 ，产生 了较 大 的脉 冲 。 这些 脉 冲 一 部分 形 成 空间 辐 射， 另一 很 大 的 部分 以 传 导 的形 式 传 输到 输入 和 输出 端 ， 这便 形 成 了 传导 干 扰 。下 面 我们 来介 绍 一 下 传导 干 扰 的 两种 常 见 方式 ： 共 模 干 扰 和 差 模 干 扰 。我 们 使 用 的 电 器 大 多 都 是 两 线 的 ， 一 根 火 线 （ L ） ，一 根 零 线 （ N ） ， 零 线 是 三 相 电 的 中 线 ， 同 时 还 有 一 根 接 地 线 叫 做 地 线 。 零线 与 火线 之间 的 干扰 ， 由 于干 扰 产 生 的电 流 方 向相 反 ，称 为差 模 干 扰 ；火 线 与 地 线之 间 的 干扰 ， 由于 干 扰产 生 的电 流 方向 相 同， 称 为共 模 干扰 。 由于 实 际 电路 中 ， 电 路阻 抗 不 可避 免 的 存在 不 平 衡 性， 线 路 中就 会 同 时 共存 着 两 种干 扰 的 电压 分 量 ， 且 这 两种 干 扰电 压 分 量能 相 互转 化， 即 差 模 分量 和 共 模 分量 。 也 就 是 说 , 在 实 际 的 电 磁 兼 容 测 试 时 , 这 两 种 干 扰 是 同 时 存 在 的 , 只 是 测 试 时 我 们 没办 法 区 分 它 们 , 才 将 它 们 笼 统 的 看 成 传 导 干 扰 来 测 量 。 所 以 ， 要 很 好 的 抑 制 传 导干 扰 首 要 的 是 需 要 判 断 其 主 导 作 用 的 是 何 种 干 扰 ，从 而 才 能 根 据 辐 射 产 生 的 原 因来 确 立 合 理 的 方 法 。 一般 情 况 下 ，选 用 适 合的 EM I 滤波 器 件 是 常用 且 较 为 有效 的 解 决传 导 干 扰 的 方 法 。 在 电 磁 兼 容 要 求 日 益 严 格 的 今 天 ， E M I 滤 波 器 对 传 导 干 扰 抑制 的 有 效 性 ，使 得 其 成 为 企 业 减 少 开 发 周 期 、降 低 开 发 成 本 ，更 快 的 占 有 市 场 的首 选 器 件 。滤波 器的 自 身特 性 ， 如 自 身 阻 抗 ，最 大 瞬 时通 过 电 流 等， 是 决 定 EM I 滤 波器 干 扰 抑制 效果 的 决定 因 素 。同 时 ， 接 入电 网 自 身的 射 频阻 抗、 电 力 电 子仪 器 内 部 的各 种 干 扰源 及干 扰 电流 传 输 过程 中 产 生 的阻 抗 ， 都会 影 响 EM I 滤 波器 的 实际 滤 波 效 果。 因此 ，仅凭 对 电 路 图 的 的 分 析 ， 对 实 际 选 择 EM I 滤波 器 上 ， 是 有 难 度 的 。在 选 择 时 ， 往 往 开 关 电 源 的 电 磁 骚 扰 抑 制从上 面 介 绍的 电 磁 干 扰产 生 的 机 理中 可 以 看到 ， 产生 电磁 干 扰 的干 扰 源 无 处不 在 ， 任何 小家 电 都逃 离 不 了干 扰 源 的 影响 环 境 ，其 强 度和 性质 是 决 定 影响 的 因 素 之一 ， 除 此之 外， 传 播途 径 的 类型 和 特 性 、设 备 本 身的 敏 感度 也是 减 轻 影 响的 重 要 因 素。 换 句 话说 ， 提 高 设 备对 EM C 设计 能 力， 我 们 可 以从 三 方面 入手 ：
1 、 对 干 扰 源 发 射能 力 的 对 开关 电 源 自身 干 扰 的减 少 下面 ， 我们 主 要 以下 几 个 方面 来 减少 开 关 电源 本 身的 电 磁 干扰 。
( 1) 增 加吸 收 电 路 在开 关 电 源中 ， E M I 的主 要 产生 原 因 是 晶体 管 进 行 开关 动 作 时， 电 压 和 电流 产 生 了瞬 时 的突 变， 这 种突 变可 以 体现 在 所谓 的 电 压 和电 流 的变 化 率， 即 du / dt 和 d i / dt 的斜率 增大 。 因此 ， 减 少干 扰 要 从 减缓 电 流 和电 压 的变 化率 入 手 。 常见 的 噪 声 干扰 吸 收 电路 如 图 2 - 5 所示 。 噪 声 吸 收 电 路 的 原 理 是 ， 当 晶 体 开 关 管 关 断 时 ， 提 供 一 个 旁 路电 路， 该旁 路 电路 存 在 一定 容 值 和 感值 ， 可 吸收 电 路中 的分 布 能 量 ，从 而 降 低 了开 关 管 关断 瞬 间的 电 流电 压 变 化率 ， 从而 达 到 了抑 制 干扰 的 作用 。
缓冲 吸 收 电路 的 主 要 器件 有 ： 电阻 、 电 容和 二 极 管 。它 们 的 滤波 作 用 对 降低 电 压 瞬变 尖峰 的 幅度 和 电 压波 形 缓降 有很 好 的 效 果， 从而 就 有利 于 半 导 体器 件 的 使 用安 全 。 同时 ，缓 冲 吸收 电 路 可以 降 低 了 射频 辐 射 的频 谱 成分 ，以 达 到 降 低射 频 辐 射 能量 的 作 用。 缓 冲 电路 可 以 分为 单 纯 的电 容 缓 冲、 R C 滤 波缓 冲 和 RC D 缓 冲三 种 。 其中 ， 单 纯的 电 容 滤 波缓 冲 电 路最 为 简 单， 它 是 直 接将 电 容 跨接 在 开 关 管的 漏 极 和源 极之 间 。它 的 工 作原 理 是 ： 开关 管 到 导通 时 ，跨 接的 电 容 隔 直通 交 的 原 因， 放 电 为零 。开 关 管截 止 时 ，电 容 两 端 的压 降 慢 慢上 升 ，从 而抑 制 了 开 关管 上 的 电 压尖 峰 的 形成 和 其 尖利 程 度 。 当 开 关管 再 次导 通 时 , 电容 被 短路 ，这 时 电 容 经过 开 关 管 直接 放 电 到零 ，并 在 开关 管 中 产生 很 大 的 尖峰 电 流 。因 此 ，其 增加 了 开 关 管导 通 时 对 导通 电 流 的损 耗。 电 容越 大 ， 它对 开 关 管 两端 电 压 的尖 峰 缓解 程度 就 越 大 ，也 就 是 对 噪音 的 音 质作 用越 好 ，但 同 时 ，也 会 使 得 开关 管 的 导通 损 耗增 加。 这 就 使 得在 实 际 应 用中 电 容 无法 取值 过 大, 这 样 无疑 造 成吸 收效 果 不 是 很明 显 ， 也就 使 得电 容 缓冲 吸 收 这 种模 式 受 到了 一 定 的限 制 。 RC 阻容 滤 波器 是 在 电 容缓 冲 滤 波 的基 础 上 串联 了 电阻 R， 其 电 路 如 图 2 - 5 b) 所示 ，其工 作原 理 类似 于 电 容缓 冲 模 式 ，但 是 由 于电 阻 R 的 加入 ， 使 得 开关 晶 体 管 断开 时 的缓冲 作用 比 电容 模 式 差了 一 些 ， 而在 开 关 管导 通 的瞬 间， 电 阻 限 制了 开 关 管 导通 时 的 电流 峰值 。 因此 ， 电 阻的 阻 值 不 同， 对 电 流峰 值 的限 制程 度 也 就 不同 ， 也 就 使得 缓 冲 吸收 的效 果 也不 同 ， 电阻 阻 值 越 大时 ， 吸 收的 效 果也 就越 差 。 因 此， 我 们 在 实际 应 用 此电 路 时 ，电 阻 R 的 取值 都 较 小 。这 种 RC 滤 波的 缓 冲模 式 在 实际 应 用中 非常 广 泛 。 RC D 缓 冲 吸 收 电 路 是 在 RC 阻容 滤 波 缓 冲 电 路 的 基 础 上 ， 再 串 联 一 个 二 极 管 D ，其具 体电 路 如图 2- 5 c ）所 示 。 它 的 工 作 原理 是 ： 当 开 关 管 关断 的瞬 间 ， 二 极 管 D 则正 向导 通， 此 时， 由 于 二极 管 D 的 导通 压 降 很小 ， D、 C 之间 会 形 成一 个 回 路 ，使 得 电 容上 积聚 电 荷， 其 过 电压 缓 冲 吸 收的 原 理 及效 果 与电 容缓 冲 模 式 类似 。 而 在 开关 管 导 通时 ，在二 极管 的 单 向 导电 作 用下 电 容 的 放 电只 能 经过 电阻 R 进行 ,这 样 就 形 成了 一 个 与 RC 阻容 缓 冲 模 式 相 当 的 电 路 。 根 据 以 上 工 作 原 理, RC D 缓冲 吸 收 电 路 设 计 时, 要保 证 开 关 管 两 种 状 态 下 符 合 它 的 特 性, 就 需 要 保 证 开 关 管 截 止 时 电 容 C 能 充 电 到 电 源 电压 值 , 同 时 又 要 保 证 开 关 管 导 通 状 态 下 电 容 上 储 存 的 电 荷 经 过 电 阻 完 全 放 完 。 也 就 是说， 在 每 个 开关 管 通 断的 周 期 中 ，电 阻 R 必须 将 电容 C 上存 贮 的 能量 全 部 消 耗掉 。 所 以， 这种 缓 冲模 式 较 前两 种 模 式 消耗 的 能 量要 大 ，但 是其 吸 收 消 耗能 力 要 强 。由 于 这 种电 路的 能 量损 耗 正 比于 其 电 源 的开 关 频 率， 所 以该 电路 很 少 应 用于 开 关 频 率很 高 的 开关 电 源 中。 在 通 常的 设 计 中常 将 这 种缓 冲 吸 收电 路 用 于变 压 器 的吸 收 。 除了 缓冲 吸 收电 路 以 外, 另 一种 吸收 模 式 是 箝位 吸 收电 路, 如图 2 - 5 a ) 所 示。 该 电 路是 由两 个 二极 管 串 联组 成 ， 其 中一 个 二 极管 用 于半 导体 瞬 变 电 压吸 收 ， 另 一个 则 需 选用 高速 、 高反 压 二 极管 。 由 于 该电 路 的 内部 结 构， 使得 其 无 法 吸收 晶 体 管 开关 过 程 中的 瞬间 电 压突 变 。 所以 ， 该 电 路不 是 用 作电 磁 干扰 的抑 制 ， 而 是用 来 防 止 半导 体 器 件和 电容 器 件被 击 穿 。 因此 ， 不 论采 用 哪 种 吸收 缓 冲 滤波 电 路 ，都 必 须 满 足一 个 要 求： 吸 收 电 路必 须 尽 可能 的靠 近 主开 关 管 和高 频 变 压 器， 使 其 所有 的 线路 都尽 可 能 的 短， 包 括 器 件的 引 脚 在内 。
( 2) EM I 滤波 典 型 的 EM I 滤 波 技 术 对 于 抑 制 开 关 电 源 的 干 扰 ， 特 别 是 电 磁 传 导 干 扰 （C S ） 方面有 非常 明 显的 效 果 。我 们 从开 关电 源 的 基 本电 路 结构 可以 得 出， E M I 滤波 技术 首 先 是在 电源 的 输入 端 接 入 EM I 滤 波器 ， 尽 可 能的 早 的在 源头 上 抑 制 电磁 干 扰， 这 是 抑 制 传导 电磁 干 扰的 重 要 方法 。 因 为 电源 的 输 入端 是 直接 与电 网 相 连 接的 ， 电 网 由于 接 入 设备 较多 从 而引 起 快 速瞬 变 脉冲 和其 它 设 备 对电 网 的辐 射干 扰 ，E M I 滤波 技 术对 上 述 两种 干扰 都 有很 强 的 抑制 作 用 。 一般 情 况 下， 在 开关 电源 中 传 入 的干 扰 信 号 同时 存 在 着两 种分 量 ：1 . 差 模 干扰 ： 两 线 间电 流 方 向 不同 的 干扰 ；2 . 共模 干扰 ： 两 线 间电 流 方 向 相同 的 干 扰。 因 此 ， E M I 滤波 电路 需 要 充 分考 虑 这两 种不 同 分 量 干扰 的 抑 制 方式 。 在 实际 的产 品 设计 中 ， 为了 得 到 更 好的 实 现 抑制 效 果， 我们 还 需 要 针对 的 电 磁 兼容 标 准 和实 际中 的 超标 信 号 的 幅值 和 频 带 来设 计 和 选择 EM I 滤波 器 。 下 面 ， 通 过 图 2- 6 为例 来分 析下 滤 波电 路 的 工作 原 理： 其中 L1 、 L2 为 两个 匝数 相 等 的 线圈 ， 在理 想状 况 下 ，差模 电流 和 主电 流 在 电感 上 产 生 等量 反 向 的磁 通 ，它 们之 间 相 互 抵消 ， 使 得 其对 差 模 信号 没有 滤 波效 果 ， 而共 模 干 扰 信号 使 得 其电 感 量很 大， 此 时 的 电感 相 当 于 一个 高 阻 抗， 因此 它 对方 向 相 同的 共 模 干 扰信 号 有 很好 的 抑制 作用 ， 因 此 ，一 般 称 这 两个 线 圈 为共 模扼 流 圈。 但 是 ，实 际 上 由 于磁 环 材 料和 绕 制工 艺等 原 因 ， 没办 法 做 到 电感 量 的 完全 相等 ， 使得 它 们 之间 存 在 一 个电 感 量 差， 这 个差 值形 成 差 模 电感 。 此 外 ，对 于 电 源线 上 的 差模 信 号 ， 常 用 的 EM I 滤 波技 术 是通 过 低通 滤波 器 来 实 现的 ， 这 个 滤波 器 由 线圈 L1 和 L2 间的 电 感感 量 差值 、L3 与 L4 组成 的独 立差 模 抑 制 器以 及 X 电 容三 部 分 构成 。
學了一招，原理圖那個變壓器，用圈圈當同名端。收下
