高頻（pín）開關電源的電磁兼容（róng）解決辦法

隨著高頻開關電源技術的（de）不斷完（wán）善和日趨（qū）成（chéng）熟，其（qí）在鐵路信（xìn）號供電係統中的應用也在迅速（sù）增加。與此同時，高頻開關電源自身存在的電磁幹擾（EMI）問題如果（guǒ）處理不好，不僅容易對電網造成汙染，直接影響其他用電設備的正常工作，而且傳入空間（jiān）也易（yì）形成電磁汙染，由此產生了高頻開（kāi）關電源的電磁兼容（EMC）問題。

高頻開關電源等電子產（chǎn）品電磁兼容重要性的（de）凸現，我們應該在產品設計初（chū）期階段，同時進行電磁兼容設計，此時結構和電路方案尚未定型，可選用的方法較多。如果等到生產階（jiē）段再去解決，不但給技術和工藝上（shàng）帶來很大難度，而且會造成人力、財力和時間的極大浪費。所以（yǐ），要走出設計修改法的誤（wù）區，正確運用係統（tǒng）設計法。

本文（wén）重點對鐵路信號電源屏使用的1200W（24V/50A）高頻開關電源模塊（kuài）所存在的電磁（cí）幹擾超標（biāo）問題進行分析，並提出改進措施。高（gāo）頻開關電源產生的電磁幹擾可分為傳導幹擾和輻射幹擾兩大類（lèi）。傳導幹擾通過交流電源傳（chuán）播（bō），頻率（lǜ）低於30MHz；輻射幹擾通過空間傳播，頻率在30～1000MHz。

高頻開關電源的電（diàn）路結構

高頻開關電源的主拓撲電路原理，如圖1所示。

高頻開關電源電磁幹（gàn）擾源的分析（xī）

在圖1a電路（lù）中的整流器、功率（lǜ）管Q1，在（zài）圖1b電路中的功率管Q2～Q5、高頻變壓（yā）器T1、輸出整流二極管D1～D2都是高頻開關電源工作時產生電磁幹擾的主要幹擾（rǎo）源，具體分析如下。

（1）整（zhěng）流器整流過程產生的高次諧波會沿（yán）著（zhe）電源線（xiàn）產生傳導幹擾和輻射幹擾。

（2）開關功率管工作在高頻導通和截（jié）止的狀態，為了降（jiàng）低開關損耗，提高電源功率密度和整體效率，開關管的（de）打開和關斷的速度越來越快（kuài），一般在幾（jǐ）微秒，開關管以這樣的速度打開和關斷，形成了浪湧電壓和浪湧電流，會產生高頻高壓的（de）尖峰諧波，對空間和交流輸入線形成電磁幹擾。

（3）高頻變壓器T1進行功率變換的同時，產生了交變的電磁場，向空間輻射電磁波，形成了輻（fú）射幹擾。變壓器的分布電感和電容產生振蕩，並通過變壓器初次級之間的分布電容耦（ǒu）合（hé）到交流輸入回路，形成傳導幹擾。

（4）在輸（shū）出電壓比較低的（de）情況下，輸出整（zhěng）流（liú）二（èr）極管工作在高頻（pín）開關狀態，也是一種電磁幹擾源。

由（yóu）於二極管的（de）引（yǐn）線寄生（shēng）電感、結電（diàn）容的存在以（yǐ）及反向恢複電流的影響，使之工作在很高的電壓和電流變化率下（xià），二極管反（fǎn）向恢複的時間越長，則尖峰電流的影響也越大，幹（gàn）擾信號就越強，由此產生高頻（pín）衰減振蕩，這是一種差模傳導幹擾。

所（suǒ）有產生的這些電磁信號，通過電（diàn）源線、信號線、接地線等金屬（shǔ）導（dǎo）線傳輸到（dào）外部電源形成傳導幹擾。通過導線和器件輻射或通過充當天線的互連線輻射的（de）幹擾信號造（zào）成輻射幹擾。

針對高頻開關電源電（diàn）磁幹擾的電磁兼容設計

（1）開關電源入口加電源濾（lǜ）波器，抑製（zhì）開（kāi）關電源所產生的高次諧波。

（2）輸入輸出（chū）電源線上加鐵氧體磁（cí）環，一（yī）方麵抑製電源線內的高頻共模，另一方麵減小通（tōng）過電源線輻射的幹擾能量。

（3）電源線（xiàn）盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環（huán）路麵積；把輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線，減小輸入輸出間的電磁耦合；信號線遠離（lí）電源線，靠近地線走線，並且走線不（bú）要過長，以減小回路的環（huán）麵積；PCB板上（shàng）的線條寬度不能突變，拐角采用圓（yuán）弧過渡，盡量不采用直角（jiǎo）或尖角。

（4）對芯片和MOS開關管安裝去耦電容，其位置盡可能地靠近並聯（lián）在器件的（de）電（diàn）源和接地管腳。

（5）由於接地導線存在Ldi/dt，PCB板（bǎn）和機殼間接地采用（yòng）銅柱連接，對不適合用銅柱連接的采用較（jiào）粗的導（dǎo）線，並就近接地。

（6）在開關管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路，吸收（shōu）浪湧電（diàn）壓（yā）。

高頻開關（guān）電源電磁幹擾測（cè）試曲線

在3m法電波暗室對試驗樣機進行測試，其L、N線的傳導幹擾檢測曲線如圖2、3所示，輻射幹擾的垂（chuí）直極化掃描曲線如圖4、5所示。

根據鐵路客運專線標準（zhǔn）規定，傳導幹擾限值和輻射幹擾限值如（rú）表1、2所示。

本開關電源一次通過了傳導幹擾的測試，測試波形（xíng）如（rú）圖（tú）2、3所示。輻（fú）射幹擾高頻（pín）段230～1000MHz也測試合格（gé），如圖5所示（shì）。隻是在30～200MHz頻段範（fàn）圍內的垂直極化指標超標，最大超標20dB，如圖（tú）4所示。

由測試結果（guǒ）可以看出，通過電磁兼容（róng）設計在傳導幹擾抑製（zhì）方麵取得（dé）了良好效果（guǒ），在高頻段（duàn）輻射幹擾的設計也達到了預期效（xiào）果，下麵還需對在30～200MHz頻段範圍內的輻射（shè）幹擾進行改進設計。

高頻開關電源輻射幹擾的改進設計

由圖4可以看出，本開關電源存在輻射（shè）幹擾超標的現象（xiàng），為了抑製電磁幹擾而使用鐵氧體元件，價格便宜，效（xiào）果明顯。鐵氧體元件等效電（diàn）路是電感L和電阻R組成（chéng）的串聯電路，L和R都是頻率的函數。低頻時，R很小，L起主要（yào）作（zuò）用（yòng），電磁幹擾被（bèi）反射而受到抑製；高頻時，R增（zēng）大，電磁幹擾被吸收並轉換成熱（rè）能，使高頻幹擾大大衰減。不同的鐵氧體抑製元（yuán）件，有不同的最佳抑製頻率範圍。總之，選擇和安裝鐵氧體（tǐ）元件可參照如下幾條：

（1）鐵氧體的體積越大，抑製效果越好；
（2）在體積一定時，長而細（xì）的形狀比短而粗的抑製效果好；
（3）內徑（jìng）越小抑製效果也越好；
（4）橫截麵越大（dà），越不易飽和；
（5）磁（cí）導率越高，抑製的頻率就（jiù）越低；
（6）鐵氧體抑製元件應當安裝在靠近幹擾源的地方；
（7）在輸入、輸出（chū）導線上安裝時，應盡量（liàng）靠（kào）近屏蔽殼的進（jìn）、出口處。

根據上麵對高頻開關電源幹擾（rǎo）源和鐵氧體（tǐ）元件的分（fèn）析，決定在靠近（jìn）幹擾源的地方套磁珠（zhū）與磁環。圖（tú）1a中電容（róng）C1的（de）接地端套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二極管D1和D2使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧（yǎng）體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流（liú）輸（shū）出線纜（lǎn）用鐵氧體（tǐ）磁環（φ13.5×φ7.5×7）繞兩圈且靠近出口處。經（jīng）過處（chù）理後重新測試，其（qí）掃（sǎo）描曲線如圖6所示。由此可見，大（dà）部分頻段的輻射幹擾已被抑製到標（biāo）準要求以下，但在頻率81、138、165kHz附近處仍然超標。

根據對開關電源電磁幹擾源的分析可知（zhī），在（zài）圖（tú）1b電路中高頻變壓器T1也是一個幹擾源。為了阻止高頻（pín）變壓器產生（shēng）的幹擾信號以輻射方式發射，把變（biàn）壓器的外殼用屏蔽材料銅箔環繞一圈構成一回路加以屏蔽，以切斷變壓器通過空間耦合形成的（de）輻射幹擾傳播途徑。並且為了減少因變壓器（qì）一次側開通時電流瞬間突變產生的di／dt幹擾，在變壓器T1的一次側串（chuàn）進1個電（diàn）感，以（yǐ）減小器件的開通損耗，降（jiàng）低輻射幹擾信號。經（jīng）過整改後，輻射幹（gàn）擾大大下降，再（zài）次對本電（diàn）源（yuán）輻射幹擾進（jìn）行測試，完（）全達到了標準（zhǔn）要求，其測試結果如圖7所（suǒ）示。

與EMI相關的因（yīn）素（sù）多且複雜，僅做到上述的幾點措施是遠遠不夠（gòu）的，還有接地技術、PCB布局走線等都很重（chóng）要。電磁兼容（róng）的設計任重而道遠，我們要不斷進行研究探索，使（shǐ）我國的電子產品電磁兼容水（shuǐ）平與國際同步。