工程师经验分享：开关电源的EMI设计

Allevi

工程师经验分享：开关电源的EMI设计

( ], M) B8 x/ D; g3 X9 H　       开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
* v2 m- H9 V8 R1 V" }
# a( z$ a6 @$ X8 T7 e　　1.开关电源的EMI源
' C* h. }1 L, P4 l! }7 P5 }
8 V; M2 E! r, y) F9 `, P8 t, N$ {　　开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
: p4 w& g2 d+ }/ A2 n! e
, W# H5 g7 l6 l2 T3 A' q4 `　　（1）功率开关管
0 c6 l2 n0 d: }: d- {( `* ]1 _3 h
- R$ J# u3 Q! y4 c. g　　功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。

　　（2）高频变压器

  o/ {0 F0 K/ ^  N' Y) Z　　高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。

　　（3）整流二极管

　　整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。
! x# T0 ^# X4 H; Q
. V& Y* v3 ?" b( L　　（4）PCB

: d& K7 L% h( y) t* t6 d" Y　　准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。
" o7 J4 D7 m  X5 o# X6 N7 L' L
　　2.开关电源EMI传输通道分类
7 {( S/ n0 P. A" X0 y4 O" _$ H
　　（一）传导干扰的传输通道

　　（1）容性耦合

　　（2）感性耦合

- K; R5 s5 ]0 j# y　　（3）电阻耦合
( h" Z5 {2 W" Z. R1 M  X0 y0 Y
　　a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合
) i) L) ^7 I7 ~; Z. e( _
　　b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合

　　c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合

2 @" A" s" p! F) Y: \4 }　　（二）辐射干扰的传输通道

　　（1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；
! R" S  W5 j+ A$ U; @
　　（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；

" P( Q3 A' {$ k9 N' u0 Z! q8 w　　（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。

8 d7 P7 Q) K2 I+ Z8 O" D　　3.开关电源EMI抑制的9大措施
5 V5 O8 s0 g: d1 c+ _
# M9 h% n; T& y　　在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：
3 O5 y9 h& d: {5 v5 e
3 Z- e' N/ U1 F7 I* Y1 c1 ~$ k- ~  z　　（1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；

( e* u2 H& d+ `$ ]8 _3 C) U　　（2）通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。

5 j4 J! u1 P( L- s　　分开来讲，9大措施分别是：

/ ?' {1 @1 R! ^6 A) z　　（1）减小dv/dt和di/dt（降低其峰值、减缓其斜率）
: L6 d' C3 N  [. ~
　　（2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压
5 ?& Q: z) p) J1 H( @
  j) E" s/ n) T$ N　　（3）阻尼网络抑制过冲
! x% h! k1 F( E& t# p& f0 u
　　（4）采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI

　　（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术

& ?* ~+ ~% x( u; y% `! c- L2 z　　（6）采用合理设计的电源线滤波器

　　（7）合理的接地处理
( k) t: A+ t6 [& l
　　（8）有效的屏蔽措施

　　（9）合理的PCB设计

0 h" ~! f2 w6 B6 k- F  d　　4.高频变压器漏感的控制

: M% M, p" ?) j+ Q( n2 a, ?　　高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。
! G$ h0 b8 P  @$ K& S9 V& c3 o8 S! y
　　减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！

1 @4 o% z( \4 k/ ~/ F8 @　　（1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。

　　（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。

9 C2 _2 L1 v/ L: N4 P　　（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。
# ]2 v% F# S! l" i$ b+ f/ l3 i1 T
1 |7 ?# x2 @3 @1 c$ y　　5.高频变压器的屏蔽

　　为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。

" C) c3 g' H1 t　　高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：
% z5 K2 n7 D8 N2 p+ s( k: P/ n
( l# w5 @* m) V4 q  A" s　　（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；

　　（2）用“玻璃珠”（Glassbeads）胶合剂粘结磁心，效果更好。
, z$ x( ?1 X3 g5 u- a

yxlk

学习了