探讨高频开关电源设计中的电磁兼容问题

引言

开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰(EMI)。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合EMC标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。

1、开关电源的组成及工作原理

1.1、组成

开关电源的组成框图如图1所示，它由以下几个部分组成：

1)主电路包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波;

2)控制与保护电路;

3)检测与显示电路除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据;

4)辅助电源。

图1、开关电源的组成框图

1.2、开关稳压电源原理

开关稳压电源电路如图2所示。图2中的开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在K接通时，输入电源Vin通过K和滤波电路供电给负载RL，当K断开时，输入电源Vin便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图2中，由储能电感L、滤波电容C2和续流二极管D组成的电路，就具有这种功能。在AB间的电压平均值VAB可用式(1)表示。

VAB=Vinton/T=DVin(1)

式中：ton为K导通时间;

T为K工作周期;

D为占空比，D=ton/T。

图2、开关稳压电源电路原理图

由式(1)可知，改变D，即可改变VAB。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D便能使输出电压Vo维持不变。这种控制方法称为时间比率控制(Time Ratio Control，缩写为TRC)。按TRC原理，它有3种方式：

1)脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式;

2)脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式;

3)混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的结合。

2、开关电源产生电磁干扰的机理

开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。

2.1、开关管与整流管

开关管、整流管高频通断时所产生的dv/dt、di/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很强的骚扰源。

2.2、高频变压器

开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并出现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。

另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的|di /dt|大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。

2.3、杂散参数影响耦合通道的特性

在传导骚扰频段(<30MHz)，多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。