开关电源的电磁兼容性设计

引言
        通信开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高，另外还有体积小、重量轻、具有远程监控等优点，因此被广泛地应用于程控交换、光数据传输、无线基站、有线电视系统及IP网络中，是信息技术设备正常工作的核心动力。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰(EMD)源，他产生的电磁干扰EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。同时，通信开关电源要有很强的抗电磁干扰的能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压、电场、磁场、电磁波、静电放电、脉冲串、电压跌落、射频电磁场传导抗扰性、辐射抗扰性、传导发射、辐射发射等项目需要满足有关，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐通过开关管与散热器问的分布电容传人内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。
        如图1所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰，例如返回噪声、输出噪声和辐射干扰等。进行开关电源EMI／EMC设计时，一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰；另一方面要加强开关电源本身对电磁干扰环境的适应能力。下面用等效电路分别介绍共模和差模干扰产生的原因及路径。

开关电源的电磁兼容性设计
        电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降。形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备，因而，抑制电磁干扰也应该从这3个方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，降低其对噪声的敏感度。目前抑制开关电源EMI的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，常用的方法是屏蔽和滤波，他们的确是行之有效的办法。

        使用LC滤波电路，可根据公式计算电路的谐振频率，调整电感、电容，使谐振频率与干扰频率相近或接近干扰频率的中心频率。对频率很高的电磁干扰，可以使用三端电容或穿心电容进行滤波。
屏蔽技术
        屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的有效方法。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。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。实际应用中，主要是应用于隔离变压器。变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个系统提供了通路。这一交叉耦合电容可以在变压器结构中采用法拉第屏蔽(Faraday shield)来减小。法拉第屏蔽简单来说就是用铜箔或铝箔包绕在原方和副方绕组之间形成一个静电屏蔽层隔离区并接地，以减小交叉耦合电容。
        图5为变压器原边绕组和副边绕组。其中N1A，N1B是原边绕组，分两次绕；N2A，N2B是副边绕组；N3，N4分别是辅助绕组；SCREEN为铜箔屏蔽。安规上一般要求散热器接地，那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声提供了通路，可以在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。采用磁屏蔽效果比较好的铁氧体磁芯如PQ型或者P型来制作变压器可以很大程度上减小变压器漏磁从而减小原副方绕组漏感，有效抑制了EMI的传播。