開關（guān）電源輻射騷擾傳（chuán）導騷擾！

1 概述（shù）

目（mù）前，電子（zǐ）產品電磁兼容問題越來越受到人們的重視，尤其（qí）是世界上發達（dá）國家（jiā），已經形成了一（yī）套完整的（de）電磁兼容體係，同時我國（guó）也正（zhèng）在建立電磁兼容（róng）體係，因此，實現產品的電磁兼（jiān）容是進入國（guó）際市場的（de）通行證。對於開關電源來說，由於開關管（guǎn）、整流管工作在大電流、高電壓的條件下，對外界會產生很強的電磁幹擾，因此開關電源的傳（chuán）導發射和電磁輻射發射相對其它產品來說更加難以實現電磁（cí）兼容，但如果（guǒ）我們（men）對開關電源（yuán）產生電磁幹（gàn）擾的原理了解清楚後，就不難找到合適的對策，將傳導發（fā）射電（diàn）平和輻射（shè）發射電平降到合適的水平，實現電磁兼容性設計。

2 開關（guān）電源傳導騷擾

2.1 傳導發射的產生

開關電源的傳導騷擾是通過電源的輸入電源線向外傳播的電磁幹擾。在開關電源輸入電（diàn）源線中向外傳播的騷擾，既有差模騷擾、又有共模騷擾，共模騷擾比差模騷擾產（chǎn）生更強的輻射騷擾（rǎo）。傳導騷擾的測試（shì）頻率範圍為150KHz～30MHz，限值要求（qiú）如（rú）下表1 所示：

在0.15MHz～1MHz 的頻率範（fàn）圍內，騷擾主（zhǔ）要（yào）以共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的頻率範圍內，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，騷擾的形式主要以共膜為主。傳導發射的差模騷擾（rǎo）的產生主要（yào）是由於開關管工（gōng）作在（zài）開關狀態，當開關管開通時，流（liú）過電源（yuán）線的電流線形上升，開關管關斷時電流突變為0，因此流過電源線的（de）電流為高頻的三角脈動電流，含有（yǒu）豐富的高頻（pín）諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波（bō）分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻（pín）率的升高而降低，另外，如下圖1 所示，由於（yú）電容C5 的存在，它與電感L3 組成低通濾波器，因此，差（chà）模傳導（dǎo）騷擾主要存在低頻（pín）率段（duàn）。

共模騷擾的產生主要原因是電源（yuán）與大地（保護地）之間（jiān）存在有分布電容（róng），電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構成回路，產生共模騷（sāo）擾。

如上圖 1 所（suǒ）示，L、N 為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成輸入EMI 濾波器，DB1 為整（zhěng）流橋，L1、VD1、C6 和VT2 為功率（lǜ）因（yīn）數矯正主電路，VT2 為開關（guān）管，開關（guān）管的D 極與管子的散熱器相連，開關管安裝在散熱器上時，與（yǔ）散熱（rè）器之（zhī）間形成一個耦合（hé）電容，如（rú）圖1 中的C7 所示，開關管VT2 工（gōng）作在開關狀態，其D 極的電壓為高頻方波，方波的頻率（lǜ）為開關管的（de）開關頻率，方波中（zhōng）的各次諧波（bō）就會通（tōng）過耦合電容（róng）、L、N 電源線（xiàn）構成回路，產生共（gòng）模騷擾。電源與大（dà）地的分布電容比較分散（sàn），難以估算，但從上麵的圖1 來（lái）看，開關管VT2 的D 極與散（sàn）熱器（qì）之間（jiān）耦（ǒu）合（hé）電容的作用最大，在上麵的圖1 中，從整流橋到電感L3 之間的電（diàn）壓（yā）為100Hz 的工頻波形，而從電感（gǎn）L3 到二（èr）極管VD1 和開關管VT2D 極之間的連線的電壓均為方（fāng）波（bō）電壓，含有大量的高次諧波。其次電感L3 的影響也（yě）比較大，但L3 與機殼的距離（lí）比較遠，分布電容比開關管和散熱器之（zhī）間的耦合電容小（xiǎo）的多，因此我們主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容。

2.2 傳導騷擾的（de）解決方法

2.2.1 EMI 濾波器

解決傳（chuán）導騷擾目前大都采用無源濾波器，如上圖（tú） 1 中所示，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 組成一個EMI 濾波器，L1、L2 是兩個共模電感（gǎn），一般來（lái）說，在共（gòng）模電感當中，含有20%左右的差模電感，與電容C1、C2、C3 構成差模濾波器，C4、C5 是共模電容，與電感L1、L2 構成共模濾波器。

共（gòng）模電感量的計算：

假設開關管集電極的幹擾電壓在 400V 左右，轉換成dB（μV）為：

傳（chuán）導發射測試設備內部的去耦網絡（LISN）內阻Zin 標準為50Ω。則耦（ǒu）合（hé）電容C7 與測試設備去耦網絡的（de）內阻Zin 對騷擾電平的衰減（jiǎn）為（wéi）：

則：如果不加EMI 濾波器時，電源（yuán）輸出端口所測得的騷擾電平為：

表 1 中A 級電源端口傳導限值的要求為79 dB（μV），顯然大大超過了限製的要求。則需要濾波器在 150KHz 處的衰減為：

112-79=33 dB，考慮到至少有6dB 的裕量，EMI 濾波器的在（zài）150KHz 處的衰減應大於39dB，我們取40dB。二階濾波器的衰減特性是-40dB/10 倍頻，在圖1 中有兩（liǎng）個二（èr）階濾波器，衰減特性是-80dB/10 倍頻，則濾（lǜ）波器的轉折頻率應在：47KHz 左右，考（kǎo）慮到其他因素的影響，濾波器的轉折頻率取為40KHz。

共模電容 C4、C5 取4700P（考慮到漏電流的問題，不能取太大），則：C=C4+C5=9400P。

根據

計算得：L=1.7mH

在設計EMI 濾波器的（de）時候，為了有效的抑製騷擾信號的目的，必須（xū）對濾波器兩端（duān）將要連接的源阻抗進（jìn）行合理的搭配，當濾波器的輸出（chū）阻抗Zo 和負（fù）載阻抗RL 不相等時，在這個（gè）端口會產生，反射（shè）係數ρ由下式（shì）來定義：

當 Zo 和（hé）RL 相（xiàng）差越大，端口產生的反（fǎn）射（shè）越大。

EMI 濾波器中的共模電感含有20%左右的差模電感，與X2 電容構（gòu）成差模濾波器，在上（shàng）麵的原理圖中，X2 電容C1、C2、C3 對傳導騷擾的低頻端（duān）影響比較大，主要原（yuán）因是因為在低頻段，騷擾的方（fāng）式主（zhǔ）要以差模的方式存在，增大C1、C2、C3，可以減小低頻段的騷擾電平，但（dàn）取值一般不超過0.47～2.2μF，如果適當增大電容，低頻段仍然超標，可以增加差模電感來（lái）解決。

2.2.2 其他方法

EMI 濾波器（qì）是采用切斷傳播途徑的方法來（lái）減小傳導發射的騷擾電平，另外我們也可以從發射（shè）的源來著手，減（jiǎn）小發射源向外發射的（de）電平。

1：如下圖2 所示：

圖2 中，在PFC 升壓電感上增加一個輔助繞組，該繞組的匝數與主繞組相同，方向與主繞組相反，C7 是開關管（guǎn）與散（sàn）熱（rè）器之間的耦合電容，如圖所示增加一個（gè）與C7 容量（liàng）大致相同的一個電容接到散熱器與輔助繞組之間，這樣C7、C8 耦合到散熱（rè）器的騷擾信號幅度相（xiàng）同（tóng），方向相反（fǎn），兩（liǎng）個信號（hào）剛好可以相互抵消，大大減小向外發射（shè）的騷擾電平（píng）。

2：如下圖3 所示：

在圖（tú）3 中，增加（jiā）一個高頻電容C8，接在開關管散熱（rè）器與（yǔ）輸出地之（zhī）間，該電容與散熱器的連接處離開關管越近越好，該電（diàn）容選用安規電容，容量（liàng）在4700P 到0.01μf 之間，太大會使（shǐ）電源的漏電流超標，經過電容C7 耦合到（dào）散熱器上的騷擾信號（hào）經過C8 衰減，衰減的係數為

由於 C8 比C7 大許多，上式可以簡化為：

可見，假（jiǎ）設 C7 為30P，C8 為4700P，則向外發射的騷擾信號被衰減了157 倍，近45dB。

3 開關電源（yuán）的輻射騷擾

3.1 輻射騷（sāo）擾的空間傳輸

1. 遠（yuǎn）場和近場

電磁能（néng）量以場的形式向四周傳播，就形成了輻射（shè）騷擾，場可以分為近場、和遠場，近場又稱為感應場，它的性質與場源有密切的關係，如果場源是高電壓小電流的源，則近場主要（yào）是電場，如果場源是低壓大電流，則場源主要是磁場。無（wú）論（lùn）近場是磁場或是電場，當離場源的距離大於λ/2π時（shí），均變成（chéng）遠（yuǎn）場，又（yòu）稱為輻（fú）射場。

由於開關電源工作在高電（diàn）壓（yā），大電流的狀態下，近場即有（yǒu）電場，又有磁場。

2. 騷擾的（de）輻射方（fāng）式

● 單點輻射（shè），主要模擬（nǐ）各相同（tóng）性的較小（xiǎo）的輻射（shè）源，輻射的強度可表（biǎo）示為：

式中，P 表示發射的功率（lǜ），r 表示離發射（shè）源的距離。可見，單點輻射強度與距離成反比，與發射源的功（gōng）率的平方根成正比。

● 平行雙線環路的輻射

主要模擬差模電（diàn）流回路的輻射源，其輻射（shè）強度可以表示為：

式（shì）中 A 為差模電流所包圍的麵積，I 是差模電（diàn）流的大小，r 是離輻射（shè）源的距離，λ是波長。可見（jiàn）差模輻射強度與差模電流的（de）大小和差模電流所包圍的（de）麵積成正比，與距離成反比，與頻率（lǜ）的平方成正比。

因此應（yīng）在高頻噪聲源處加高頻去耦電容，以免（miǎn）高頻噪聲流入電源回路中。

● 單導線的（de）輻射

單導線的（de）輻射公式可以用來估算（suàn）共模電流產生的輻射（shè）的大小：

式中，I 是共模電流的大（dà）小，r 是到（dào）共模（mó）電流源的距離， l 是（shì）導線的長度（dù），λ是（shì）波（bō）長。

3. 共模（mó）電流輻射

兩根相近（jìn）的（de）導線，如（rú）果流過差模電流，則（zé）導（dǎo）線產生的電磁（cí）場由於方向相反，大小相（xiàng）等而相（xiàng）互抵消，但如果流過共模電流，時兩根導線產生的電磁場相互疊加。因此大小相同的共模電（diàn）流所產生的空（kōng）間輻射要（yào）比差模電流產生的（de）空間輻射強度大（dà）的多，根據實驗，兩者的（de）輻射強度相（xiàng）差上千（qiān）倍。所以，開關電源的（de）輻射主要是由共模電流引起的。

● 共（gòng）模電流輻射的基本（běn）模式

共模輻射有兩種驅動模式，一種是電（diàn）流驅動模式，一種是電壓驅動模式（shì），在開關電源中，起主要作用的主要是電壓驅動模式。

● 產（chǎn）生共模輻射的條件

產生（shēng）共模輻射的條件有兩個，一是（shì）共模（mó）驅動源（yuán），一個是共模天線。

任何兩個金屬體之間存在（zài）射頻電位差，就構成一副不對稱（chēng）振子天線，兩個金屬導體分

別是天線的兩個極，對於一個開（kāi）關電源來說，如下圖所示：

圖4 中C7 是開關管（guǎn）和散（sàn）熱器之間的耦合電容，散熱器和與開關管D 極相（xiàng）連接的印製線為天線的兩個極，在分析時（shí）可以簡化為下圖5：

圖中，Vs 為騷擾源（yuán），對圖4 來說，就（jiù）是開關（guān）管VT2 的D 極，L1、L2 相當於天線的兩個極，一個極是（shì）與開關管D 極相連的印製線（xiàn），另外一個極是散熱器及與之相連的接地線，C是天線兩極之間的耦合電容，即圖4 中開（kāi）關管與散熱器之間的耦（ǒu）合電容。

共模（mó）輻射（shè）主要有（yǒu）天線上的共模電流的大小決定，因此（cǐ），天線兩極（jí） L1、L2 之間的耦合電容越大，輻射功率越大。

另外，當天線的兩個極的總長度大於λ/20時，才能向外輻射能量，並且當天線的長（zhǎng）度與騷擾源的波長滿足下列條（tiáo）件時，輻射能量才最大。

3.2 開關電源的輻射源

要解決和減小開關（guān）電源的電磁輻（fú）射，首先要了解開關電源的輻射源在（zài）那兒。對於（yú）一個前級帶有PFC 功率因數矯正電路（lù）的開關電源來說，輻射騷擾（rǎo）的源主要分布下麵幾個地方（開關電源中的輻（fú）射（shè）源例如驅動等，相對（duì）於下麵所列的要弱的多，所以可以不與（yǔ）考慮）。

1. PFC 開關管

2. PFC 升壓（yā）二極（jí）管

3. DC/DC 開關管

4. DC/DC 的整流管（guǎn）、續流管

5. PFC 升壓電感

6. DC/DC 變壓（yā）器

● PFC 開關管（guǎn）和（hé）DC/DC 開關管（guǎn）的輻射原理如上麵所述，屬於電壓（yā）驅動模式的驅（qū）動源（yuán），升壓電感和變壓器屬於（yú）差模騷擾源，主要原因是漏感（gǎn）的存在，導致電（diàn）磁能量泄露，向外發（fā）射電磁能（néng）量。

● PFC 升壓（yā）二（èr）極（jí）管和DC/DC 的整流二極管在反向截止時，存在反向恢（huī）複電流，如下圖所示：

圖中（zhōng）所示的是（shì）實際測試的PFC 升（shēng）壓二極管關斷瞬間的反向恢複電流（不加吸收的情況下），在圖4 中，該反向（xiàng）恢複電流主（zhǔ）要通過C6、VD1、VT2 構成回路，形成（chéng）差模輻射，另外，由（yóu）於由於引（yǐn）線（xiàn）電感（gǎn）的（de）存在，很小一部分（fèn）的電流會通過散熱器與開關（guān）管VT2 之間的耦（ǒu）合電容C7 向外流，形成共模輻射。

DC/DC 的整流二極管和續流管的反（fǎn）向恢複電流會導（dǎo）致（zhì）二極管的反向電壓出現很高的電壓尖峰，下圖 7 是正激電路的（de）輸出濾波電路。

圖7 中，TI 是變壓器，VD1、VD2 分別是整流管和（hé）續流管，由於（yú）整（zhěng）流（liú）管、續流管在由導通轉向截止時有（yǒu）反向恢（huī）複電流，該反向恢複電流在VD1、VD2 兩（liǎng）端產生比較高的電壓（yā）峰值，由於快恢複二極（jí）管的反（fǎn）向恢複電流在幾十nS，所以峰值電壓的頻率較高，其基波頻率在幾十MHz，由於頻率（lǜ）很高，輻（fú）射能力很（hěn）強，下圖8 是整流管和續流管的電壓波形。

在上圖7 中，整流管、續流管固定在（zài）散熱器上，散熱器接大地，由於二（èr）極管的陰極與管（guǎn）殼的散熱板直（zhí）接（jiē）相連，管殼的散熱板與（yǔ）散熱器之間就形成了耦合電（diàn）容，整流管、續（xù）流管在截止時產生的高壓尖峰就通過耦合電容流動，產生共模輻（fú）射，輸出（chū）線和地分別（bié）是天線的兩個極。

●開關電源其他的輻射（shè）源如印製線與機殼（ké）之間分布電容引起的共模輻射、內（nèi）部電路工作時產生的差模輻射等，與前麵（miàn）的幾個輻射源相比要小得多。

3.3 輻射（shè）騷擾的解決措施

上（shàng）麵分析（xī）了輻射騷（sāo）擾產（chǎn）生的原因和開關（guān）電源的輻射源，再解決開關（guān）電源的輻射問題就（jiù）比較（jiào）容易（yì）了。

3.3.1 開（kāi）關管發射源引起的輻射發（fā）射

上麵所介紹的輸入端口的傳導騷擾，是通過輸入線向外發射的，同時（shí），輸入線又是一個天線（xiàn），共模電（diàn）流在流過輸入線的時候，就會向空間發射電磁能量，產生輻（fú）射騷擾，因（yīn）此對於（yú）上麵解決傳導發（fā）射的（de）措施，在減小了傳導發射的同時，也大大減小了輸入端口的輻射發射。

對於輻射（shè）源 DC/DC 開關管，也可以采取與PFC 開關管的（de）相同的措施，來減小驅動源的電壓幅度，較（jiào）小（xiǎo）輻射發射的強度。

下麵圖 9 是采取在（zài）PFC 開關管散熱器對PFC 輸出地加電容與不加電容輻（fú）射（shè）強度的對比。

圖中，前麵是加電容的，後麵（miàn）是不加電（diàn）容的，從兩個圖（tú）中可以（yǐ）看出，在50MHZ 附近，輻射騷擾（rǎo）電平在加了電容以後降低（dī）了盡10DB，在120MHZ 到220MHZ 的頻率範圍內也降低了10DB 左右。

3.3.2 DC/DC 整流管、續流（liú）管發射源

對於（yú） DC/DC 整流管、續流管發射源（yuán），除了增加吸收，減小二極管兩端的峰（fēng）值電壓、在二極管的管腳上套飽和磁環以減小反向（xiàng）恢複（fù）電流外，還可以采取以下措施。

1. 在整流管、續流管與散熱器的（de）接觸點附近對輸出地接電容，如下圖 10 所示：

圖中（zhōng）C2 是二極管VD1 和VD2 與散熱器之間的耦合電容，容量一般在幾十PF，C3 是增加的（de）電容，C3 要遠大於C2，DC/DC 整流管、續流管上（shàng）的電壓峰值經過C2 與C3 的分壓，幅度（dù）大大降低，就可以（yǐ）大大減小向外的輻射。

2. 采用如下圖 11 所示的電路形式。

在（zài）上圖的電路形式中，將輸出濾波電感放在（zài）輸出的負端，VD1、VD2 的輸出直接（jiē）接在輸出濾波電容的正端，這樣，整流管、續流管的陰極接固定電平，通過陰極連（lián）接（jiē）的散熱麵與散熱器之間的耦（ǒu）合電容向外（wài）流動的共模電流（liú）就會（huì）大大減小，從而大大（dà）減小輸出端（duān）口的輻（fú）射電平（píng）。

3.3.3 機箱屏蔽

開關電源的輻（fú）射除了上述的輻射源主（zhǔ）要通（tōng）過輸入輸出端口向外輻射以外，電源的控製電路、驅動、輔助電源、變壓器、電感等直接向空間輻射電磁能量，因此需要采（cǎi）用機箱進行屏（píng）蔽，機箱屏蔽要考慮機箱的材料、厚度和孔（kǒng）縫對屏蔽效能（néng）的影響。

1.吸收損耗

當電磁波進入金屬屏蔽體後會產生感應電流，變為熱能而消（xiāo）耗掉，所以電磁波進入金屬導體中（zhōng）以（yǐ）指數的方式很快衰減，傳輸距離很短。

我們將電磁波衰減到原來 1/e，即0.37 倍時的距離稱為集膚（fū）深（shēn）度δ

集膚深度δ與材料的性能和頻率有關，可用下麵的公式表示：

公式中，μ是材料的磁導率，σ是材料（liào）的電導率。

2. 反射損耗

當電（diàn）磁波到達兩種介質表麵（miàn）時，因阻抗不匹配而發生反射，所引起的電磁波能量損耗稱為反（fǎn）射（shè）損耗。

輻射（shè）騷擾所測試的（de）頻率範圍是 30MHz～1000MHz。如果單純的隻考（kǎo）慮30MHz 以上的電磁屏蔽，薄薄一層的導體就可（kě）以達到很高的屏蔽效能，但對於頻率比較低的電場（chǎng）或磁場，就要考慮屏蔽所使用的材料和厚度了。

3. 孔縫對屏蔽的影響

在實際的應用當（dāng）中，機箱上總是存在有接線孔、通（tōng）風（fēng）孔（kǒng）以及機箱各麵之間的連接縫隙（xì），如果機箱的孔縫尺寸不合理，將使屏蔽效能大大降低，一般來說（shuō），孔縫的尺寸應小於（yú）十分之一到百分之一的波長，才能達到相應的屏蔽效果。如果上限頻率按1000MHz 來考慮，孔縫的尺寸應（yīng）小於：3～0.3cm。由於開關電源的（de）電磁輻射頻率範圍一般在30MHz 到500MHz 之間，屏蔽（bì）的上限頻率可以按500MHz 來考慮。