开关电源的电磁兼容(EMC)设计技术

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开关电源因体积小、功率因数较大等优点，在通信、控制、计算机等领域应用广泛。但由于会产生电磁干扰，其进一步的应用受到一定程度上的限制。本文将分析开关电源电磁干扰的各种产生机理，并在其基础之上，提出开关电源的电磁兼容设计方法。

开关电源的电磁干扰分析

开关电源的结构如图1所示。首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。

图1  AC/DC开关电源基本框图

1 内部干扰源

● 开关电路

开关电路主要由开关管和高频变压器组成。开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感产生了反电势E＝-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。

● 整流电路的整流二极管

输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化di/dt，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。

● 杂散参数

由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。

2 外部干扰源

外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。同时，由于交流电网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低（大约为0.6）。而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。

开关电源的EMC设计

产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感设备，EMC设计的目的就是破坏这3个条件中的一个。针对于此，主要采取的方法有：电路措施、EMI滤波、屏蔽、印制电路板抗干扰设计等。

1 降低开关损耗和开关噪声的软开关技术

软开关是在硬开关基础上发展起来的一种基于谐振技术或利用控制技术实现的在零电压/电流状态下的先进开关技术。

软开关的实现方法是：在原电路中增加小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。图2给出了一种使用软开关技术的基本开关单元。

图2  降压斩波器中的基本开关单元

2 减小干扰源干扰能量的缓冲电路  

在开关控制电源的输入部分加入缓冲电路（见图3），其由线性阻抗稳定网络组成，用于消除电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压高低变化和电力线谐波等潜在的干扰。缓冲电路器件参数为D1为MUR460，R1=500Ω，C=6nF，L=36mH，R=150Ω。

图3  缓冲电路

3 切断干扰噪声传播路径的EMI滤波

在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器，是抑制传导发射的一个很有效方法。其参数主要有：放电电阻、插入损耗、Cx电容、Cy电容和电感值。其中，插入损耗是滤波器性能的一个关键参数。在考虑机械性能、环境、成本等前提下，应该尽量使插入损耗大一些。用共模、差模干扰的测量结果与标准限值，加上适当的裕量可得到滤波器的插入损耗IL。

ILCM(dB)=Vcm(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)                    (1)
　　ILDM(dB)=VDM(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)                    (2)

式中，3dB表示在分离共模、差模传导干扰的测试过程中测试结果比实际值大3dB；M(dB)表示设计裕量，一般取6dB；Vlimit(dB)为相关标准如CISPR,FCC等规定的传导干扰限值。

图4是220V/50Hz交流输入的开关电源交流侧EMI滤波器的电路。Cy＝3300pF，L1、L2＝0.7mH，它们构成共模滤波电路，抑制0.5～30MHz的共模干扰信号。Cx＝0.1μF，L3、L4＝200～500μH，采用金属粉压磁芯，与L1/L2、Cx构成L-N端口间低通滤波器，用于抑制电源线上存在的0.15～ 0.5MHz差模干扰信号。R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。

图4  开关电源交流侧EMI滤波器电路

图5是开关电源的直流输出侧滤波电路，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。

图5  支流侧滤波电路

4 用屏蔽来抑制辐射及感应干扰

开关电源干扰频谱集中在30MHz以下的频段，直径r＜λ/2π,主要是近场性质的电磁场，且属低阻抗场。可用导电良好的材料对电场屏蔽，而用导磁率高的材料对磁场屏蔽。此外，还要对变压器、电感器、功率器件等采取有效的屏蔽措施。屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁的连续性。屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施。对于电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地。对于磁场屏蔽，屏蔽外壳不需接地。

5 合理的PCB布局及布线

敏感线路主要是指控制电路和直接与干扰测量设备相连的线路。要降低干扰水平，最简单的方法就是增大干扰源与敏感线路的间距。但由于受电源尺寸的限制，单纯的增大间距并非解决问题的最佳途径，更为合理的方法是根据干扰电场的分布情况将敏感线路放在干扰较弱的地方。PCB抗干扰布局设计流程如图6所示。

开关电源印制板EMC辅助设计的软件方法

1引言

减小电子设备的EMI，印制板（PCB）的设计是个关键。一种好的布线方案可以在不修改电路拓扑和增加任何元件的情况下降低干扰水平。但目前PCB的设计在大多数情况下只是一种依赖于经验的尝试性设计过程，国外称之为“trial＆error”设计方法，带有很大的盲目性。PCB上主要的干扰耦合方式是传导干扰和近场干扰（包括电场干扰和磁场干扰）。它们常常可以用杂散电阻、电容、电感来表示。PCB的设计目标之一就是设法降低这些杂散参数，减小印制电路之间不必要的干扰耦合。

许多文献都列举了一些减少印制电路间杂散参数的方法，但这些方法往往过于笼统，实际应用中很大程度上还是依赖于经验。目前也有使用数值技术来提取PCB杂散参数建立仿真模型的辅助设计软件包，虽然仿真结果能与测量结果吻合较好，但这类方法本质上是把trial＆error设计方法从硬件平台移植到软件平台上，并不能指导如何布线以减小线路间的杂散参数。毕竟这些方法都是从集中电路的角度去分析干扰的，而EMI本质上是个场的问题，故仍有相当的局限性。

2基本原理

电场耦合是由位移电流干扰引起的，用Maxwell方程描述为：表示变化的电场将产生位移电流，其中位移电流密度（x,y,z,t）和电位移密度（x,y,z,t）都是空间和时间的函数。根据经验，绝大多数开关电源产生的干扰都集中在200MHz以下，频率在200MHz以上的干扰其幅值已经很小了。而大多数PCB的几何尺寸都远小于200MHz电磁波的波长，可作准静态场近似。在此条件下，场量可写成相互独立的空间量和时间量的乘积。故式（1）可写为：其中φ(x,y,z)是空间任意一点(x,y,z)电位φ(x,y,z,t)的空间分量，φ(t)是该点电位的时间分量。(x,y,z)是该点位移电流密度(x,y,z,t)的空间分量，是其时间分量。在准静态场条件下，这些空间量和时间量之间是相互独立的。要减小印制电路间的电场干扰，可以通过降低时间分量和空间分量（x,y,z）来实现。延长开关器件的导通/关断时间可以减小，但这样会增大开关损耗，降低效率。另一个方法是减小（x,y,z）,可以通过选择合适的布线方案，把敏感电路放在较小的地方来实现。对开关电源来说，干扰源主要集中在与开关器件相连、电压变化率dv/dt相对较大的几根导线上〖2〗。选择合适的布线方案，首先要计算出干扰源的干扰强度分布图。根据分布的情况，把敏感电路放在较小的地方，可以减小其受干扰的程度，这是我们用“场”的方法来布线的基本思想〖3〗。

印制导线间的干扰耦合水平不完全由相互位置决定，与导线的大小、形状也有关系。为了能够综合评价敏感导线与干扰导线之间的耦合程度，我们提出了

图1耦合系数与电容的关系

一种新的评价参数－耦合系数（CouplingIndex），如式（4）所示。其基本思想是把敏感导线细分为N个网格，是第n个网格的位移电流密度的大小，ΔA(n)是第n个网格的面积。把所有网格的与ΔA(n)的乘积相加之和做为耦合系数评价敏感导线与干扰导线之间的耦合程度。与电容的计算相比，耦合系数的计算非常简单，只占用很少的计算机资源，可以根据实时的耦合系数计算结果及时调整布线方案，改进设计。而不用等整块PCB设计完成，再用软件包提取杂散参数以建立仿真模型，输入仿真软件包，仿真结果不行再回头修改设计。

表1列出了九种不同的布线设计，分别给出了相应的耦合系数和电容值计算结果。比较这些结果可以发现，印制导线的大小、形状和相对位置都会影响它们之间的耦合系数和电容值。为了更清楚地反映两者的关系，把耦合系数和电容值绘入同一张图中并进行线性回归分析，如图1所示。其相关系数为0.98，表明耦合系数能够很好地反映导线间的耦合程度。依据耦合系数进行布线是可行的。

表1不同布线设计时的耦合系数和电容值

序号	干扰导线和敏感导线	耦合系数	电容值（pF）
No.1		571.05	8.30×10－3
No.2		482.28	6.58×10－3
No.3		103.31	1.68×10－3
No.4		1535.7	36.5×10－3
No.5		776.35	11.3×10－3
No.6		572.01	8.45×10－3
No.7		1432.9	29.0×10－3
No.8		1003.5	21.0×10－3
No.9		1003.6	21.0×10－3

3试验验证

图2的试验装置用来进一步证实这个思想。印制导线经屏蔽电缆与信号发生器HP8110A相连，馈入10V、200kHz的脉冲干扰信号做为干扰源。敏感导线如表达式中No.5或No.7所示布置，经屏蔽电缆与频谱分析仪HP8590L相连测量干扰信号。整个装置放入屏蔽盒中。图3是表1中No.5布线方案的设计尺寸和测量结果，图4是表1中No.7布线方案的设计尺寸和测量结果。比较表1中No.5的耦合系数776.35和No.7的耦合系数1432.9就知道No.7中的敏感导线要比No.5中的敏感导线接收到更多的干扰，图3(b)、4(b)的实验结果证实了这一点。

4软件框架

软件设计的最初思想是想摆脱PCB的“trial＆error”传统设计方法，希望软件能在PCB设计过程中

图2试验布置图

（a）布线尺寸

（b）受扰信号频谱

图3No.5布线的尺寸和干扰测量结果

（a）布线尺寸

（b）受扰信号频谱

图4No.7号布线的尺寸和干扰测量结果

就给出必要的干扰分布信息，以期在PCB设计的早期阶段就把干扰抑制在尽可能低的水平。

设计工作主要包括两大步骤：初步辅助设计和仿真论证设计。在初步设计阶段，计算机首先根据电路中各节点的dv/dt的大小识别干扰源，计算干扰源的干扰分布图并显示在屏幕上供参考。根据干扰分布图把敏感电路放在干扰较弱的区域，这样可以降低敏感电路的受扰程度[3]。同时可以根据实时的耦合系数计算值及时地调整敏感电路的大小、形状，在PCB设计的初期阶段就尽量把干扰耦合降低。整块PCB设计完成后，进入仿真设计阶段。利用有限元技术提取PCB的杂散参数，建立分布参数等效电路，放入电路仿真软件包Pspice或Saber,可以计算出可能的干扰水平，与EMC标准规定的干扰容许限值比较。整个软件设计框图如图5所示。

图5PCB辅助EMC设计软件框图

5结论

印制板的杂散参数对开关电源的EMC有很大的影响，合适的布线对减小印制电路间的干扰非常关键。根据干扰强度分布图进行PCB的布线设计，可以把敏感的电路放在干扰较弱的区域。精确的杂散电容计算需要很长的计算时间，而耦合系数可以实时地显示导线间的耦合程度，大大缩短了计算时间、辅助布线设计。计算和实验结果都证实了这一点。新的软件辅助设计思想为印制板的设计提供了新思路。

开关电源电磁干扰标准与EMI干扰抑制措施

一、引言

! u' Z& l% F' ], x% n: F电磁兼容性(EMC)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。

1 c4 z, I( L$ j- |6 A世界各国都相应制定了自己的EMC标准。比如国际电工委员会的1EC61000及(C1SPR系列标准、欧洲共同体的FN系列标准、美国联邦通信委的FCC系列标准和我国现行的GT3/T13926系列EMC标准等。随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能越来越受到重视。

! p2 @1 r  r8 g: y, x0 @开关电源作为一种电源设备，其应用越来越广泛。随着电力电子器件的不断更新换代，开关电源的开关频率及开关速度不断提高，但开关的快速通断，引起电压和电流的快速变化。这些瞬变的电压和电流，通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，会产生大量的电磁干扰。

$ Q) \0 u% c9 L二、开关电源的干扰源分析

7 o4 ]" {1 V. i2 b$ r3 R; G开关电源产生的电磁干扰(EMI)，按耦合通道来分，可分为传导干扰和辐射干扰;按噪声干扰源种类来分可分为尖峰干扰和谐波干扰。开关电源在工作过程中所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源，工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换以及输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。

三、电磁干扰的抑制措施

电磁干扰由三个基本要素组合而产生：电磁干扰源;对该干扰能量敏感的设备;将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介即传输通道或藕合途径。对开关电源产生的电磁干扰所采取的抑制措施，主要从两个方而考虑：一是减小干扰源的干扰强度;一是切断干扰传播途径。

常用的抗干扰措施包括电路的隔离、屏蔽、接地、加装EMI滤波器以及PCB板的合理布局与布线。

1.电路的隔离

" ]: r7 a2 L- g" b+ ?8 T0 S! |在开关电源中，电路的隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。对于开关电源的模拟信号控制系统的隔离，交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用线性隔离器(如线性光电耦器)隔离。数字电路的隔离主要有:脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离。

2. 屏蔽

$ M, H5 C0 g2 ]# W& ]0 X屏蔽一般分为两类，一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的有效方法。可以用导电良好的材料对电场屏蔽，而用导磁率高的材料对磁场屏蔽。

3.接地

+ D# s  n' s. }& a0 {' D为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作，根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类。比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。在电路的设计中，应将交流电源地与直流电源地分开，模拟电路与数字电路的电源地分开，功率地与弱电地分开。

4.加装EMI滤波器

电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导干扰，又可以降低从电网引入的传导干扰，对提高设备的可靠性有重要的作用。开关电源产生的电磁干扰以传导干扰为主，而传导干扰又分差模骚扰和共模干扰两种。构成开关电源EMI滤波器的基本网络如图1所示。该滤波器由共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy组成。共模扼流圈L由两个绕在同一个高磁导率磁芯上的绕组构成，其结构使差模电流产生的磁通相互抵消。这种结构以较小体积获得较大的电感值，并且不用担心由于工作电流导致饱和。每个绕组与电容Cy分别组成L-E和N-E两对独立端口的低通滤波器，形成共模滤波网络，用来抑制电源线上存在的共模干扰。至于共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy的取值大小，应尽量做到滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率，这样可以实现对整个频段的滤波。

  

图1 开关电源EMI滤波器

5.PCB板的合理布局与布线

开关电源的辐射干扰与电流通路中的电流大小，通路的环路面积，以及电流频率的平方等三者的乘积成正比，即辐射干扰E∝I·A·f 2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近，且布线紧凑;在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。在印制板上，将正负载流导线分别布在印制板的两面，并设法使两个载流导体彼此间保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。

四、结束语

要提高开关频率，提高开关电源产品的质量，电磁兼容性是不容忽视的问题。产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。只有在设计时充分考虑电磁兼容问题，才能使开关电源得到更普遍的应用。

变频器产生的电磁干扰(EMI)及解决对策

１前言
5 N9 x, M! Y5 T" ]9 t; P　　采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显、调节方便、维护简单、网络化等优点而被越来越多的应用。但是，由于变频器特殊的工作方式带来的干扰越来越不容忽视。变频器干扰主要有：一是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，其产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变（电压畸变率用THDv表示，变频器产生谐波引起的THDv在10~40%左右），影响电网的供电质量；二是变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作。

２谐波和电磁辐射对电网及其它系统的危害

　（1）谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。

　（２）谐波可以通过电网传导到其它的用电器，影响了许多电气设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。

　　（3）谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。

　　（4）谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。

　　（5）电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。

　　一般来讲，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。

３有关谐波的国际及国家标准

　　现行的有关标准主要有：国际标准IEC61000-2-2，IEC61000-2-4，欧洲标准EN61000-3-2，EN61000-3-12，国际电工学会的建议标准IEEE519-1992，中国国家标准GB/T14549-93《电能质量共用电网谐波》。下面分别做简要介绍：

　　（1）国际标准

　　IEC61000-2-2标准适用于公用电网，IEC61000-2-4标准适用于厂级电网，这两个标准规定了不给电网造成损害所允许的谐波程度，它们规定了最大允许的电压畸变率THDv.

　　IEC61000-2-2标准规定了电网公共接入点处的各次谐波电压含有的THDv约为8%.

　　IEC61000-2-4标准分三级。第一类对谐波敏感场合（如计算机、实验室等）THDv为5%；第二类针对电网公共接入点和一部分厂内接入点THDv为8%；第三类主要针对厂内接入点THDv为10%.

　　以上两个标准还规定了电器设备所允许产生谐波电流的幅值，前者主要针对16A以下，后者主要针对16A到64A.

　　IEEE519-1992标准是个建议标准，目标是将单次THDv限制在3%以下，总THDv限制在5%以下。

　　（2）国内标准

　　GB/T14549-93中规定，公用电网谐波电压（相电压）限值为380V（220V）电网电压总THDv为5%，各次谐波电压含有率奇次为4%，偶次为2%.

　　由以上标准看来，一般单次电压畸变率在3~6%，总电压畸变率在5~8%的范围内是可以接受的。

４减少变频器谐波对其它设备影响的方法

　　（1）增加交流/直流电抗器

　　采用交流/直流电抗器后，进线电流的THDv大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

　　（2）多相脉冲整流

　　在条件具备，或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDv大约为10%~15%，18相脉冲整流的THDv约为3%~8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992严格标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

　　（3）无源滤波器

　　采用无源滤波器后，满载时进线中的THDv可降至5%~10%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDv<30%的情况。缺点是轻载时功率因数会降低。

　　（4）输出电抗器

　　也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠要原样不动接地，不能扭成绳或辨，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

５减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法

　　上面介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响，但并不是消除了变频器的对外干扰，如果想进一步提高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力，尤其是在变频器（品牌不同，产生的干扰程度可能不一样）干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种：

　　1）使用隔离变压器

　　使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰。

　　2）使用滤波模块或组件

　　目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

　　常用的为双孔磁芯滤波器的结构。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。

　　3）选用具有开关电源的仪表等低压设备

　　一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了有关的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。

　　4）作好信号线的抗干扰

　　信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸置疑，信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

　　对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。

　　（1）常态干扰的抑制

　　常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多是频率较高的交变信号，其来源一般是耦合干扰。抑制常态干扰的方法有：

　　a 在输入回路接RC滤波器或双T滤波器。

　　b 尽量采用双积分式A/D转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的消除高频干扰的作用。

　　c 将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。

　　（2）共模干扰的抑制

　　共模干扰是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所制，这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下：

　　a 采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。

　　b 把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消。

　　c 采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。

　　d 使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。

　　无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，都还应该做到以下几点：

　　（1）输入线路要尽量短。

　　（2）配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。

　　（3）为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

　　5) 在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

　　6 结束语

　　干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。采用的措施只要能解决问题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰，具体情况具体解决。

EMI噪声的电容耦合通道分析(即电磁干扰的容性耦合分析)

为减少噪声，我们设法找到主要噪声源。我们希望高速开关，因为可减少开关损耗，但不要做损害变换器效率的事。实现高速开关电源噪声机理使我们想起谐振变换器，因为在这样电源中在低功率下开关器件（FET和二极管在电流、电压之一或两者为零开关），这种工作状态是十分诱人的，但是，谐振与准谐振变换器的缺点（第二章）盖过它减少噪声减少的优点。许多谐振变换器随负载改变开关频率，引起噪声频谱的变化。这使得它比固定频率的硬开关变换器的滤波更难。实际上在大功率、高压场合才采用谐振变换器和准谐振变换器。但是软开关PWM变换器得到较大关注，因为它保持零状态开关和固定频率。

考虑开关噪声为何跑出来和如何测量的机理，即使很高开关速度也能达到可接受的噪声。显然，电流以开关频率从变换器中流进和流出。除了选择拓扑时选择电流连续而不选择断续（减少沿的陡度）外，只有选择滤波。通常很少注意，开关波形到地的电容耦合仍然是很严重噪声传播方式。传导路径如图9.8所示。

$ X* a" E4 B5 @功率开关器件典型的安装在电源作为散热器的壳体上，此壳体是接地的。因为器件芯片和壳之间有一个小距离面积很大，两者之间有一个明显的电容存在，将通过它传导高频信号到地。此信号传到电源和回线上，也就是共模噪声。

: k! n% w7 W: M! w/ C! ]: V9 ~4 B要是不用滤波，最好是减少耦合－即减少到地电容。电容的大小由封装尺寸所决定，但距离可以增加。技巧是器件和壳体之间用来作为热传导的绝缘，用低介电常数材料。典型选择硅基塑料和氧化鈹。减少电容意味着大大减少共模噪声滤波。此外，采用隔离电源，通过两个电容－二极管到地和晶体管到地，可以切断在初级和次级之间噪声传导。

开关电源的主要EMI噪声源头分析

噪声来自何处？

+ Y) \# V$ K4 R2 m% O; ]' z* E5 y: W控制噪声发射的第一步是了解噪声来自何处。即怎样产生和测量那根线。有了噪声的初始知识，首先和最好的控制技术将是安排测量线以避免噪声从测量线逃逸出来，开关波形是开关电源传导噪声（和辐射）主要来源。这没有什么奇怪的，因为开关涉及到电路的高功率（很高的电流）和高dV/dt，以及源的高频份量。例如MOSFET由导通到截止需50ns的基波是1/50ns＝20MHz，还有奇次谐波（60MHz，100MHz等等）。我们要求二极管和MOSFET尽可能同样的快开关速度，所以具有相似的频谱。并且因此，快速开关减少功率损耗。

事实上，晶体管和二极管（或同步整流管）是变换器功率通路中开关噪声的肇事者。如果次级有一个电感，高频高功率频谱分量不通过它（但仍能辐射），所以在二极管以后很少噪声。但是，如果功率变压器设计得很好，磁芯形成局部的屏蔽，所以它不产生太大的噪声。

扩频调制技术在开关电源的电磁兼容(EMC)设计中的应用

开关电源自问世以来,以其体积小、损耗小、效率高(一般可达80%以上)等优点,在电源领域得到了快速的发展,其应用范围也越来越广泛,开关电源技术已经成为电源领域中的主流技术。但应用在通信、仪器仪表等设备中时,开关电源的开关脉冲及其谐波与寄生振荡带来的电磁干扰(EMI),使得系统中的某些性能或指标有不同程度的下降。如何减小开关电源对系统中其它设备及外界的电磁干扰,一直是电源设计中不可回避的问题。通常情况下,根据传播路径的不同,开关电源产生的电磁干扰可以分为传导干扰和辐射干扰两大类,传导干扰沿电源的输入、输出线传播;而辐射干扰属于射频干扰,以空间辐射为主。针对传导干扰和辐射干扰的不同特点,抑制EMI的传统做法分别是采用滤波和屏蔽技术。只要设计合理,这两种措施的效果是比较明显的。但是,在有些场合中,却很难满足设计要求。目前,又出现一种降低开关电源EMI的新技术——扩频调制技术。扩频调制技术原本是应用于无线通信领域中的一种新技术,但将其应用于开关电源(或 DC/DC转换器)的设计中,能显著地降低开关电源的EMI,提高开关电源的电磁兼容(EMC)性能。
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本文介绍美国凌特(Linear Technology)公司采用扩频调制技术和伪随机噪声技术设计的多相扩频振荡器LTC6902的原理,并将其应用于开关电源中,以提高开关电源的EMC性能。
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; x5 M0 p' q5 o1 LTC6902的性能特点及引脚功能
+ |4 N+ ^* q* V/ O9 mLTC6902 是一款使用方便的低功耗、多相扩频振荡器,它能提供两路到四路相位不同的输出信号;其振荡频率可以通过一个外部电阻(RSET)进行设定,频率范围为 5kHz～20MHz;它还提供一种可供选用的扩频调制(即Spread Spectrum Frequency Modulation—SSFM)工作模式,SSFM也由一个外部电阻(RMOD)进行控制。其主要的性能及特点如下: 　　
(1)可编程的2相、3相或4相输出; 　　
/ C0 F: u1 [7 h) b- H(2)频率范围为5kHz～20MHz,由外部电阻RSET设置,最大频率误差≤2%; 　　
4 b. V3 \1 s5 k- w# e(3)扩频调制的频率扩展度为0～100%,由外部电阻RMOD设置; 　　
(4)启动时间短,约为50μs～1.5ms之间; 　　
(5)单电源供电:2.7V～5.5V;典型耗电400μA(V+= 3V,fOUT=1MHz时) 　　
(6) 温度稳定性达±40ppm/℃; 　　
" d2 G, Q8 J! _3 {7 T(7) 采用10脚的MSOP封装形式。
" z2 s& K, L5 d1 K7 g　　
3 l8 X3 E/ ?7 d由于LTC6902具有以上性能及特点,通常用于为开关电源控制芯片或开关稳压器(如SG1525A系列、LT3430等)提供参考时钟,最适合于为分布式电源系统中的四个开关稳压器提供同步时钟信号,也可以用于便携式电池供电设备或作为开关电容滤波器的时钟。 LTC6902的各引脚功能说明见表1。

0 Q4 W) q  }; \+ B表1 LTC6902的引脚功能
$ ]) w: b0 ^6 r, n4 u
2 LTC6902芯片的工作原理

LTC6902主要由主振荡器、分频比可编程的分频器、固定分频比为3200的分频器、伪随机二进制序列(PRBS)产生器、D/A转换器以及一个放大器、一个跟随器和一个镜像电流源组成,如图1所示。

图1 LTC6902的内部结构框图
3 d  y: n$ K# ~  \! C3 @7 `* K% w' Z　　
LTC6902的主振荡器频率f受两个因素的控制:一是“V+”和“SET”两只引脚间的电压差(V+-VSET),二是流入主振荡器的电流IM。而且符合以下关系式 : 　　
f=10MHz·20kΩ·IM/(V+-VSET) (1)
6 ]( h6 W- R8 _7 LIM=ISET-IMOD (2)
以上两式中,各变量的意义分别是:VSET为“SET”引脚对地的直流电压,ISET为流过频率编程电阻RSET的电流;IMOD为流过扩频编程电阻RMOD的电流。
　　
$ t* M9 }0 }( Q2.1 定频应用

定频应用指不使用扩频功能,只将LTC6902作为普通可编程定频振荡器使用。此时,芯片的9脚(“MOD”引脚)接地,IMOD 为零,IM=ISET 成立。
- `4 m" l$ M: P. R" n2 E2 n: J　　
8 P$ Y8 Y/ u. G7 e. L由于:ISET =(V+-VSET)/RSET      (3) 　　
  R7 S. {; `1 D9 k所以:f=10MHz·20kΩ/RSET      (4) 　　
显然,此时主振荡器的振荡频率只受外部编程电阻RSET的控制,其频率范围为100kHz～20MHz。
( p2 m7 B4 z" J' i7 t) Y1 e　　
* t. Z8 V/ f, b' \" z主振荡器的输出经过可编程分频器N次分频后,送往多相选择输出电路,分频比N的值由“DIV”脚的电压确定。在多相选择输出电路中,根据“PH”脚的编程电压确定给外电路提供2相、3相还是4相的方波(或矩形波)信号。同时,还根据输出的相数对信号进行M次分频:2相输出时,M=1;3相和4相输出时,M分别等于3和4。这样,最终从引脚OUT1～OUT4输出脉冲的频率为: 　

　
* Q( N$ v# y0 k" x6 Y# W　　
* q# L' j1 L/ ^. j3 b扩频(SSFM)应用时,振荡器的频率受一个伪随机噪声(PRN)信号调制,振荡频率在一个较宽的范围内变化,从而把振荡器的能量扩展到一个宽频带内,这种扩展作用降低了电磁辐射(EMI)的峰值水平,提高了电磁兼容性能。
　　
$ e8 F2 ~$ p! s% v频率扩展的幅度由外部电阻RMOD以及“V+”和“MOD”两只引脚间的电压差(V+-VMOD)决定。VMOD是个动态信号,它由一个以VSET为参考的相乘型D/A转换器产生,D/A转换器的输入是7位并行的伪随机二进制序列(PRBS),该序列码与(1/5·VSET)相乘后得到VMOD,VMOD以伪随机噪声的规律变化。电压差(V+-VMOD)的最小值是0V,最大值为1/5·(V+-VSET)。(V+-VMOD)最小时,IMOD=0,IM= ISET,主振荡器振荡频率最高,即为由RSET设定的频率f(见式(4));(V+-VMOD)最大时,IMOD=0.2ISET,IM= 0.8ISET, 主振荡器振荡频率最低(为f的80%)。
( R+ Y+ u( K: q　　
根据VMOD与VSET的关系,RSET与RMOD的比值决定频率扩展的幅度。频率扩展度的定义如下: 　

PRBS 码由一个带线性反馈的9位移位寄存器产生,每512(29)个移位时钟周期重复一次。移位寄存器的后7位输出到D/A转换器用于生成VMOD电压,输出波形包括128(27)个离散的台阶,每改变一个移位时钟周期就变化一个台阶。移位寄存器的时钟由主振荡器的输出经3200次分频后得到。这样,伪随机序列每隔(512×3200/f)秒就重复一次。经PRBS调制后的波形与伪随机噪声类似。
　　
/ f* s1 C/ J- E; h频率扩展度越高,则EMI降低越大。因此,实际应用时,尽可能选取更高的振荡频率,并将FS值取得较大,其可用范围约为5%～80%。实践证明FS在10%～40%范围内取值时,综合效果最佳。
　　
3 设计与应用
, B5 l: S7 J7 W, l, Z3 @LTC6902 常用于驱动开关稳压器或开关控制器,尤其在分布式电源系统中,多个开关稳压器工作于同一频率时,用LTC6902作驱动时钟源,能够减少输入电容的数量, 还能避免由于多个时钟频率及其谐波的存在而产生的差拍干扰。为了降低EMI,用LTC6902作为驱动时钟的开关电源的设计原则和步骤如下: 　　
(1)使LTC6902工作于SSFM模式。
　
(2)根据电源功率、开关变压器磁芯尺寸等系统要求或已有条件,设定尽可能高的电源工作频率。
2 n& [( O7 A- n9 g　　
由于LTC6902工作在SSFM模式时,其内部频率扩展的步进带宽大约为25kHz,而开关稳压器的工作带宽在工作频率的1/50到1/2之间变化,典型值为工作频率的1/10。因此,为使开关稳压器平稳工作,不产生跳变,要保证其工作频率最低为250kHz。但电源工作频率也不是越高越好,因为频率越高,变压器损耗增加,效率降低。因此LTC6902适合于中、小功率的电源系统应用。
6 \5 Q+ M; r) m5 G' @: [3 E7 D4 J　　
& t" f: G9 V7 c  p- d9 v/ `+ N2 M(3)确定输出相数,设定RSET及分频比N、M的值。
　　
0 C! Q% Y- ^* A( `$ K4 B4 [8 {8 M当开关稳压器工作频率(LTC6902的fout与之相同)确定以后,根据系统中开关稳压器的数量,确定LTC6902的输出相数,分频比M也随之确定(参考表1)。
3 c/ |/ |9 V( U　　
由于LTC6902的伪随机调制信号发生器由主振荡器频率驱动,为了达到最好的EMC性能,主振荡器应工作于尽可能高的频率。根据这项原则和已有的条件,利用公式(5),并参考表1中给定的取值范围,确定分频比N和RSET的值。
2 I8 {2 m" d# |! j* @0 T6 o3 Q, R- g(4)设定RMOD,确定频率扩展度FS。
+ K' t8 O( k! s; b$ H' X　　
1 f! l" L( Z; ]* _3 ^$ B如果单纯为了降低峰值辐射,频率扩展度FS选得越高越好。但若考虑扩展后的信号频率对系统内其它电路的干扰,必须谨慎选择频率扩展度FS,而且可能还要反复试验,以确定最佳值。
  E/ J; l  ~7 Q- T* ^8 A% J1 G/ H; @　　
- E9 U' b+ @: T( [/ [在fout、N、M和RSET以及频率扩展度FS依次确定后,就可以根据公式(6)计算出RMOD的值。
1 h/ @  m0 y/ |4 p7 v) L0 `& q7 w　　
根据上述设计原则与方法,采用一片LTC6902和两片LT1310设计了一个具有+5V输入、两组+12V输出的升压电源电路,其具体电路如图2所示。

  
3 R$ g& @! ?$ |8 h0 K3 ]. A图2 双路12V电源原理图
　　
在该电源中,开关稳压器LT1310的工作频率为1MHz(关于LT1310的设计,请参阅参考文献2),LTC6902的各有关设计值为:M=1、N= 10、RSET=20kΩ、RMOD=16kΩ、频率扩展度为25%。LTC6902输出两路互为反相的方波脉冲去同步两片LT1310的工作。L选用 1.5A的高频帖片功率电感,也可以用Φ0.6的漆包线在10mm×6mm×5mm的环型NXO-1000高频铁氧体上绕20圈左右代替;D选用快恢复二极管FR151。
　　
9 n( P  g& ^6 p8 \印刷电路板制作时,为减小EMI,在顶层上的空白区域铺设大面积敷铜作为接地层。最后,用YB4361示波器和 HP8596E频谱分析仪对实际电路进行了评估。测量结果表明,采用扩频调制后,输出的白噪声比普通定频工作时有所增大,但EMI峰值下降幅度超过了 20dB。显然,利用伪随机噪声技术实现扩频调制,并将这种技术应用于开关电源的设计,对于降低开关电源的EMI是一种非常有效的手段。

经实验室测试,一款开关电源的辐射骚扰超过标准限值20DB左右时,可用以下措施改进:

1:在所有整流二极管两端并联470pF的电容;

2:在开关管控制极的输入端并联50pF的电容,与原有的39OM电阻形成一个RC低通滤波器;

3:在各输出滤波电容上并联一个0,01uF的电容;

4:在整流二极管管脚上套一个小磁珠;

5:改善屏蔽体的接地.

经过上述改进后,该款开关电源一般就可以通过辐射干扰测试的要求