开关电源的电磁兼容设计_朱明杰
开关电源电磁兼容分析与设计读书备忘录
《开关电源电磁兼容分析与设计》读书备忘录一、开关电源基础知识在阅读《开关电源电磁兼容分析与设计》我了解到开关电源是电力电子领域的重要组成部分，其主要功能是将交流电源转换为直流电源。
作为电子设备和系统的核心组件之一，开关电源的性能直接影响到整个系统的稳定性和可靠性。
掌握开关电源的基础知识对于从事电磁兼容分析与设计的工作至关重要。
开关电源的基本原理涉及电力电子器件的开关动作，通过高频开关切换输入电源，实现能量的转换和传输。
其中涉及的电子技术包括晶体管、场效应晶体管等开关器件的应用。
这些开关器件的高速开关动作会产生丰富的电磁频谱，包括丰富的谐波成分和高频噪声，这也是电磁兼容问题产生的根源。
在开关电源的设计中，需要关注电源拓扑结构的选择。
不同的拓扑结构如正激、反激、推挽等都有其特定的应用场景和性能特点。
设计时还需考虑到输入电源的特性、输出负载的要求以及系统对效率和体积等方面的要求。
开关电源中的磁性元器件如变压器、电感器等在能量转换过程中起到关键作用，它们的设计也对电磁兼容性能产生影响。
对于开关电源的电磁兼容分析与设计而言，需要理解并掌握电磁场理论、电磁兼容标准、传输线理论以及电磁干扰（EMI）的产生和抑制机制。
这些知识为分析和解决开关电源中的电磁干扰问题提供了理论基础。
特别是在高频噪声和电磁辐射方面，需要采取有效的滤波、屏蔽和接地措施，以确保开关电源的可靠运行。
本阶段的学习为我后续深入理解开关电源的电磁兼容问题奠定了坚实的基础。
通过对开关电源基础知识的了解和学习，我对如何分析和解决电磁兼容问题有了初步的认识，也为后续深入研究和实际应用提供了重要的参考依据。
1. 开关电源概述随着电子技术的飞速发展，开关电源在现代电子设备中的应用越来越广泛。
开关电源以其高效率、高可靠性及易于实现模块化等特点，成为了电子设备供电系统的主流选择。
本章主要介绍了开关电源的基本概念、发展历程以及其在电磁兼容方面的重要性。
在阅读本章内容后，我对开关电源有了更深入的了解。
开关电源电磁兼容的设计
开关电源电磁兼容的设计摘要：本文从电磁兼容性的体系构成、开关电源电磁干扰的特征、概述电磁兼容、影响开关电源电磁兼容性能的主要因素以及开关电源的电磁兼容设计分析五个方面，介绍了开关电源电磁兼容的设计，希望可以为有需要的人提供参考意见。
关键词；开关电源；电磁兼容；设计现如今，电子设备在很多领域都普遍应用，任何电子设备和开关电源都有密切的联系，这些电子设备在实际运行中会出现频谱较宽、密度较高的电磁信号，很多复杂的环境都要求电子设备应当具备较强的电磁兼容性，所以有关电磁兼容性设计是至关重要的。
一、电磁兼容性的体系构成电磁兼容性，通常是由两个部分组成，一是电磁敏感性，二是电磁干扰。
电子设备不仅要让设备自身对外造成的噪声降低，而且能够阻挡来源于外部的噪声。
电子设备只有满足这些条件，才可以在同一时间使用，相互之间没有任何干扰。
首先，电磁敏感性。
主要是指在出现电磁骚扰的情况下，系统以及装置等等无法防止性能娇弱的能力，即抗干扰能力。
其次，电磁干扰。
主要是指电子设备产生的外出噪声。
因此，综合以上来分析，电磁干扰与电磁敏感性不仅是对立的，而且是互相有联系的矛盾统一体。
二、开关电源电磁干扰的特征在开关电源功率变换器中功率半导体器件的开关次数相当多，在高频下啊功率开关器件的通电、断电中往往会产生巨大的电磁干扰。
相对于数字电路而言，其开关器件功率相当大，但是频率不能过高，所以开关电源电磁干扰通常都会呈现出很多特征，主要体现在以下几点：第一，开关电源电磁干扰干扰源的位置生死相当清楚的，具体集中在二级管以及功率开关器件上。
第二，因为其是工作在开关状况的能源转换装置，其在电流以及电压方面都有相当高的变化率，造成很大的干扰强度。
第三，一般来说，印刷线路板都采取手工布置，具有较强的随意性，这样就难以提取印刷线路板。
三、概述电磁兼容国际电工委员会提出电磁兼容的定义是：电子设备的主要功能是电磁兼容，在电磁环境下电子设备可以体现出其功能，一般不会造成无法忍受的干扰。
开关电源的电磁兼容设计
开关电源的电磁兼容设计摘要：以一个开关电源的电磁兼容设计过程为例，通过对开关电源电磁干扰机理的详细分析，提出了相应的抑制措施及需要注意的问题。
关键词：开关电源；电磁干扰；分析与抑制一、引言近年来，随着微电子技术的迅速发展，开关电源以其效率高、体积小、功耗小、稳压范围宽、输出稳定性好的优点，广泛应用于计算机及外围设备、通讯、自动控制等领域。
但是，由于开关电源工作过程中的高频率、高di/dt 和高dv/dt 使得电磁干扰( EMI ) 问题非常突出。
国内新的3C认证对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细和严格。
因此，如何降低开关电源的EMI问题已经成为设计师非常关注的问题。
本文讨论了开关电源电磁干扰形成的原因以及常用的抑制方法。
二、开关电源的电磁干扰分析作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大[1]；开关电源中的电磁干扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件。
主要的干扰形式是传导干扰和辐射干扰；而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，布线不当也是引起电磁干扰的一个主要因数。
开关电源产生的干扰[2]，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。
现在分别说明:( 1 )二极管整流电路产生的电磁干扰: 主电路中整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
作为电磁干扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大，频带宽。
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干扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。
( 2 )开关管工作时产生的谐波干扰: 功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。
开关电源电磁兼容设计
电磁骚扰讨论电磁骚扰一般是从骚扰源的特性，骚扰的耦合通道特性和受扰体的特性三个方面来进行的。
1.开关电源中的主要电磁骚扰源开关电源中的电磁骚扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件；在开关电源中，印制板布线不当也是引起电磁骚扰的一个主要因素。
1.1 开关电路产生的电磁骚扰对开关电源来说，开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。
开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。
它产生的ｄｖ／ｄｔ是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。
这种脉冲骚扰产生的主要原因是 ：１）开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。
在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端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从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和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。
这种电源电压中断会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。
２）脉冲变压器初级线圈，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。
1.2 二极管整流电路产生的电磁骚扰主电路中整流二极管产生的反向恢复电流的｜ｄｉ／ｄｔ｜远比续流二极管反向恢复电流的｜ｄｉ／ｄｔ｜小得多。
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。
整流二极管产生的电压跳变远小于电源中的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。
◎广州毅昌科技股份有限公司 何芳电磁兼容是指在有限的空间、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，它包括电磁骚扰（EMD）和电磁敏感（EMS）两方面的内容。
开关电源中的电磁兼容设计
开关电源中的电磁兼容设计开关电源EMI的特点有关开关电源中的EMI问题的文章很多，这是因为开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，高速开关动作不可避免的要导致严重的EMI。
但与数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关电源呈现出一些不同于数字电路的EMI特性。
他们主要表现为：1、作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；2、干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；3、开关频率不太高，主要的形式是传导干扰和近场干扰；4、印刷电路板走线通常采用手工布置，具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。
开关电源EMC研究的几个问题开关电源EMC是一门综合性的学科，他所研究的课题相当广泛。
目前所研究的问题主要包括以下几个方面：EMI测试技术；无源器件和PCB寄生参数的抽取和高频建模；开关电源EMI的机理和建模；开关电源EMI抑制技术；印刷线路板布线的EMC设计等。
EMI测试技术传导EMI分为差模和共模两种传播模式，但按照传导EMI测试标准测量得到的干扰电平是两者之和，因此要将其区分开，为EMI滤波器设计提供指导。
射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络是诊断干扰的三种方法。
用射频探头是最简单的方法，但其测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。
差模抑制网络结构简单，测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。
噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制作要求很高。
无源器件和PCB寄生参数的抽取和高频建模在EMI的频率范围内，常用的无源器件都不能再被认为是理想的，他们的寄生参数严重影响着他们的高频特性，电阻、电感、电容的高频等效寄生参数可用高频阻抗分析仪测得。
变压器的等效寄生参数很难确定，通常采用数值计算或实验测量的方法得到。
建立PCB走线高频模型和提取走线间寄生参数的主要困难是决定印制电路板线条单位长度的电容量和电感量。
开关电源的电磁兼容性及其设计
工作 时，往往要产 生一 些有用或 无用 电磁 骚 扰 的 电磁 能量 ，这些 电磁 能量会影 响其
电磁 骚 扰 （ ｌｃｒｍａ ｎ ｔ ｉ 同一 电磁 环境 中的其他 设备或系统 发 Ｅｅ ｔ ｏ ｇ ｅｉ Ｄｓ ｃ —
ｕｂ ｎ ｅ 设 射的 电磁 骚扰而 产生不 允许的工作 性 他设备 或系统 的正常 工作，这就 是 电 ｔｒｏ ｃ ）是指任何可能 引起装 置、 磁骚扰 。电磁骚扰 有可 能使开关 电源 备 或系统性 能下 降，或 者对 生命或无 能下 降。 ｂ 设 备或 系统不产生超过 规定限 ． 的工作 性能下 降，甚至使 开关 电源的 生命物产 生损害作 用的 电磁 现象 。电 使用寿命缩 短， 或根本 无法正常工作 。 磁 骚扰 是 客观 存 在 的一种 物 理现 象 ，
度的 电磁骚扰 。
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电源管理 。 ａｇ ｅ ｖｅ ｗ Ｍｎｅ ｅｃ ｅ ａｍ ． ｓ
接 设 地 计
Ａ． 接地是开 关电源设备抑制 电磁 噪声的重要方法 。 接地 的作用：
电 磁 骚 扰 根 据 其 来 源 ，可 分 为 自然 骚 扰 和 人 为 骚 扰 两 大 类 。 自然
能力 ：一是能在预 期的 电磁 环境 中正 骚 扰 以其 发 生 源 不 可 控 为 特 点 ，例 常工作 ， 出现性 能下降或故障 ； 不 二是 如 电子 噪 声 、天 线 噪 声 、地 球 外 噪 对 电磁环境 无污染 。 声 、 积静 电等 。人 为骚扰 以其 发 生 沉
电平在不 同频 率范 围内功率和 时间 的 磁 信号， 也可能是某种 电磁 噪声。
开关电源的电磁兼容性设计
开关电源的电磁兼容性设计导语：本文分析了电磁兼容性设计在开关电源中的重要性和必要性1引言科学技术的快速发展，电气和电子设备或系统的数量及种类不断增加，使得电磁环境日益复杂。
在复杂的电磁环境中，各种设备或系统能否正常工作，成为一个急待解决的问题。
作为各种设备或系统的重要部分――开关电源，既是骚扰源，同时又是被干扰者。
大功率开关电源往往是骚扰源。
各种开关电源在工作时，往往要产生一些有用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他设备或系统的正常工作，这就是电磁骚扰。
电磁骚扰有可能使开关电源的工作性能下降，甚至使开关电源的使用寿命缩短，或根本无法正常工作。
可见，电磁兼容性设计在开关电源中是非常重要的和不可缺少的。
在开关电源中，电磁兼容性设计的目的是使开关电源在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使开关电源满足有关EMC标准的规定并具有如下两方面的能力：（1）能在预期的电磁环境中正常工作，不出现性能下降或故障；（2）对电磁环境无污染。
2关于电磁兼容的几个重要概念2.1 电磁环境电磁环境（Electromagnetic Environment）是指设备或系统在正常工作时，可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在不同频率范围内功率和时间的分布。
电磁环境有时也可以采用场强表示。
设电磁环境中有N个电磁骚扰源，在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上，场强值为式中，Ei（f1）: 编号为i的电磁骚扰源在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上的场强值。
2.2 电磁骚扰电磁骚扰（Electromagnetic Disturbance）是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降，或者对有生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。
电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是本身的变化。
电磁骚扰根据其来源，可分为自然骚扰和人为骚扰两大类。
自然骚扰以其发生源不可控为特点，例如电子噪声、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等。
开关电源电磁兼容设计
作 为电磁 骚 扰 源 来
1 1 开 关 电路 产 生 的 电磁 骚 扰
形 成 关 断 电压 尖峰
这 种 电源 电
一
研究
，
整流 二 极 管反 向 恢复 电流 形 成 的
，
对 开关 电源 来说
，
开 关 电路产 生
压 中 断 会 产 生 与 初级线 圈 接 通 时
样的
骚扰 强度 大
频带宽
。
整流二 极 管产 生
、
主 电路 中 整 流 二 极 管 产 生 的 反 向恢
dt ] 复 电 流 8 ~ld i／ 远 比续 流 二 极 管 反 向恢 复
能 量 将 和集 电 极 电路 中 的电 容 成 带 有 尖 峰 的衰 减 振 荡
压上
， ，
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叠 加 在关 断 电
。
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开关电源设计中的电磁兼容性
开关电源设计中的电磁兼容性* 开关电源的小型化、轻量化和高效化，现已成为设备小型化中的技术发展主流。
但开关电源也有它的固有问题，即它工作时所产生的辐射发射和传导发射，这一问题已成为电源设计人员和使用人员所关注的热点。
1．开关电源对电网的传导骚扰和抑制* 本节叙述避开开关电源因为直接对电网电压整流滤波时所产生的谐波电流及其对电网的污染，主要说明开关电流工作时所产生的传导骚扰及其抑制问题。
开关电源线路简图* 初级电路中的功率晶体管外壳与散热器之间的容性耦合会在电源输入端产生传导的共模噪声。
该噪声起源于高d u / d t 的晶体管θ的外壳，经过晶体管外壳与散热器之间的寄生电容耦合，再经过接地的散热器和安全接地线，通过交流电源的高频导纳和输入电源线（相线和中线）返回。
* 对初级电路来说，经整流后的直流电压达到了10U左右，DC-DC变换器就在这个电压下工作。
对MOS功率晶体管来说，开关波形的上升与下降时间做到100ns并不困难，因此开关波形的电压变化率达到300V/ns 或3KV/μs 。
当用硅酯涂复的聚酰胺片垫在晶体管与散热器之间时，晶体管管壳与散热器之间的分布电容大约为50PF，所以波形瞬变时经分布电容最后进入安全地的瞬变电流要达到：I = C×d v / d t = 50×10-12×( 3000×10-6 ) = 150 mA这是共模型式的噪声电流。
* 为了克服晶体管外壳与散热器之间因分布电容带来的有害影响，可以在晶体管外壳与散热器之间安装带屏蔽层的绝缘垫片，屏蔽层接开关电源初级回路的参考地，而不是进入机壳或安全地。
* 此外，也可以加接市电输入电路的电源滤波器，滤波器对高频能量的传递呈现高阻抗，而对市电输入呈低阻抗。
实用中这个滤波器不仅封锁了共模噪声的传导路径，而且也衰减了直流—直流变换器输入电源中的差模噪声。
* 除了共模噪声电流以外，晶体管的快速上升和下降时间虽然也给开关电源带来了更高的效率，但也带来了高频差模辐射和传导方面的危害，为此需要对晶体管开关电压波形进行适当整修，减缓晶体管截止瞬间的电压上升速率（下图a），减低晶体管截止瞬间出现在晶体管c--e 之间的电压尖峰（由变压器初级线圈感生的反电势造成），用下图b和c 。
开关电源的电磁兼容结构设计
第 ２ 期 １
Ｓ ＩＮ Ｅ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｎ Ｏ Ｍ Ｔ Ｏ ＣＥ Ｃ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ ＹＩＦ Ｒ Ａ Ｉ Ｎ
Ｏ机械 与电子０
科技信息
开关 电源的电磁兼容结构设计
毛 睿 （ 中国 电子科 技集 团公 司第二 十研 究所
陕西
西安
７ ０６ ） １ ０ ８
【 摘 要Ｊ 从结构的角度 出发 ， 针对各种 电磁干扰情况， 给出了具体的 电磁兼容结构设 计方案 ， 来提 高开关 电源的电磁 兼容能力。 【 关键词 】 开关电源 ； 电磁 兼容； 结构设计
０ 引言
电源 对 任 何 电 子设 备 来 说 都 是 必 备 部 件 ． 设 备 中 占有 着 重 要 的 在 比例， 因此 电源 部 分 的可 靠 性 直 接 关 系 到 设 备 的 可 靠性 。 年 来 ， 关 近 开 电源 以其 小 型 化 、轻 量 化 和 高 效 化 的 优 点 正 被 广泛 应 用 于 计 算 机 、 电 子 仪 器 、 讯 等多 个 领 域 的 设 备 中 。但 是 ， 关 电 源 也 有 它 固 有 的 问 通 开 题， 特别 是 开 关 电 源 的 电 磁 兼 容 问 题 ， 电 子 设 备 的 正 常运 行 构 成 了 对 潜 在 的威 胁 ， 只有 提 高 开 关 电 源 的 电 磁 兼 容 性 ， 能 使 开 关 电 源 在 更 才 多 的场 合 下 得 到 应用 。 因此 ， 高 开 关 电 源 的 电磁 兼 容 性 ， 为 电源 设 提 成 计 者 重 点 考 虑 的 问题 。
１ 开 关 电 源 的 电磁 兼 容 结构 设 计
开 关 电 源 电磁 干 扰 的抑 制 方 法 主要 有 三 种 ， 即接 地 、 蔽 和 滤 波 ， 屏 虽 然 每 种 方法 在 设 计 中都 有 它 的 独 特作 用 ， 又 是 相 互 关 联 的 。 如 ， 但 例 良好 的 接地 可 以降 低 设 备 对屏 蔽 和滤 波 的要 求 ． 良好 的屏 蔽 也 可 以 而 使 滤 波 的 要求 低 一 些 。 从 结 构设 计 的方 面 来 说 ， 要 考 虑 屏 蔽 方 面 。 而 主 采 用屏 蔽 的 目 的一 是 限 制 内部 的 辐射 电磁 能 越 出某 一 区域 ， 是 防止 二 外 来 的 辐射 进 入 某 一 区 域 。屏 蔽 按 其 作 用 可 分 为 电场 屏 蔽 、 场 屏 蔽 磁 和 电 磁 场屏 蔽 三 种 。关 电源 中 ， 场 的 干 扰 主要 指 高 频 高 压 线 对 低 压 敏 感 导 线 的 电 感应 所 引 起 的 于 扰 ．电磁 屏 蔽 则 是 解 决 电 场 干 扰 的 一 个 具 体 措 施 ， 要 获 得好 的 电场 屏 蔽 效 果 ， 要 注意 以下 几 点 ： 需 １１１ 屏 蔽 板 要 靠 近 受保 护 的物 体 ， 且 屏 蔽 板 的 接地 要 良好 。 ． ． 而 １１ 屏 蔽 板 形 状 对屏 蔽 效 能 的高 低 有 明 显 影 响 ， 尽 量 减 少 孔 洞 和 ．． ２ 应 缝隙。 １１ 屏 蔽 板 的材 料 以 良导 体 为 好 ， 对 厚 度 无 甚 要 求 ， ．． ３ 但 只要 求 有 一 定强度就可以了 ， 以保 持 一 定 的形 状 。 １ 磁场屏蔽． ． ２ ．． 在 开 关 电 源设 备 里 ，磁 场 干 扰 主 要 指变 压 器 和 带 铁 芯 的 电 感 ， 当 １３３ 通 风 孔 的 屏蔽 处 理 最 简 单 的 通 风 处理 就 是 在 要 求 通 风 的 部 位 开 孔 或 百 叶 窗 ， 便 在 以 它 们 工 作 时 。 对周 围 的敏 感 器 件 或 敏 感 导 线形 成 干 扰 。 在 要 求 控 制 会 漏 磁 通 十 分 严格 的场 合 ， 当 将 这 些 器件 用 铁 皮 或 高磁 导 率 材 料 做 成 机 箱 内部 实 现对 流 或强 迫 风 冷 。但 此举 破坏 了屏 蔽 的 完 整 性 。因 此 对 应 对 的屏 蔽 体 密 封 ， 防止 其 对 屏 蔽 体 外 的器 件 造 成 干 扰 ， 可 采 用 铁 磁 于 电磁 防 护 有要 求 的场 合 ，可 采 用 具 有 防 尘 屏 蔽 功 能 的 金 属 丝 网 ； 以 也 可采用截止波导通风板。 材 料 将 敏 感 器 件 包 起 来 ， 屏 蔽 体 内 的磁 场 大 大 减 弱 ， 敏 感 器 件 起 于要求更高的场合 ． 使 对 １３ 按 键 的屏 蔽 处 理 ．． ４ 到屏蔽作用。 按 键 等 器 件 应 用 时 ， 要 在 设 备 的 前 面 板 或 外 壳 上 开 孔 ， 样 会 需 同 为 提 高 磁场 屏 蔽 的效 果 ， 蔽 体 的材 料 和形 状 是 关 键 ， 以考 虑 ： 屏 可 为此 ， 在结构设计上应使用隔舱 ， 而它 １ ． 选用 高磁导率 的材料 ， ．１ ２ 如坡莫 合金 ， 但是 材料 的磁 导率越 高 ， 使机壳的屏 蔽完整性受到损害。 越 容 易 饱 和 ， 导 率 很 高 的 材 料 在 强 磁场 中会 由 于磁 饱 和 而 失 去 屏蔽 们 的 引 线则 要 通 过 穿 心 电容 或 带 滤 波 的插 座进 行 滤 波 后 才 能 进入 。 磁 １３ 电 源线 的屏 蔽 处 理 ．． ５ 性能。 电 源线 在 机 箱 的出 入 也 是 导 致 电磁 泄漏 的 因素 之 ～ 。 设计 时 主 在 １ ． 尽 量 缩 短 磁 路 的 长 度 ， 加 屏 蔽 体 的截 面 积 。 ．２ ２ 增 同 １２３ 被 屏 蔽 的物 体 不 要 放 在 紧贴 屏 蔽 体 的位 置 上 ， ．＿ 以尽 量 减 少 通过 要 采 用 的方 法 是 选 用 带 滤 波 的 电 源 插 座 ． 时 在 电 源 输入 端 安装 电 源 滤波器 ， 电源 滤 波 器 与 电 源 线 输 入 端 的连 线要 尽 量 短 ； 电源 滤 波 器 的 被屏蔽物体内的磁通。 １ ． 屏 蔽 体 上 的 缝 隙 或 长条 通 风 孔 应 循 着 磁 场 方 向分 布 ， ．４ ２ 以利 于减 金 属 外壳 应 直 接 与 设 备 机 壳 连 接 ；确保 滤 波器 输 入 线 和输 出线 分 离 ， 若 输 入 、 出线 必 须 接 近 ， 须 采 用 双 绞线 或 屏 蔽 线 。 输 必 少磁阻。 １ ． 完 全 的封 闭 体 能 提供 最 理 想 的磁 屏 蔽 效 果 ， 是 一 些 不 封 闭 的 ．５ ２ 但 结 构 ， 五 面 体 或 更 少 面 的结 构 ． 至 平 板 也 能 提 供 满 足 要 求 的屏 蔽 如 甚 效 ， 使 用 平 板 时 ， 使 平 板 体 的 长度 和 宽 度 大 于 干 扰 源 到 敏 感 器 件 当 应 之 间 的距 离 。 １ ． 对 于 强磁 场 的 屏 蔽 ， 了保 证 有 较 高 的 衰 减 量 ， 采 用 多 层 屏 ．６ ２ 为 可 蔽。 当外 部 为 强 磁 场 时 ， 层 屏 蔽 体 选 用 磁 导 率 相对 较低 、 易 饱 和 的 外 不 材料， 先将磁 场衰减到一定程度 ， 然后 再用磁导率很 高的材料进行进 步衰减 。 反之 ， 内磁场为强磁场， 如 则选用材料次序颠倒过来。 总之 ， 低 磁 导 率 的材 料 应 当靠 近 干扰 源 。 １ ． 在 安 装 内 外 两层 屏 蔽 体 时 ， 注 意 磁 路 上 的 彼 此 绝 缘 。 当没 有 ．７ ２ 要 接地要求时 ， 可用绝缘材料做支撑件 ， 若需要接地时 ， 可用非铁磁材料 （ 如铜 、 等 ） 支 撑 件 。 铝 做
开关电源PCB电磁兼容性的建模分析
开关电源PCB电磁兼容性的建模分析在电磁兼容性的建模分析中，首先需要对开关电源进行电路建模。
开关电源一般由输入滤波器、整流器、功率逆变器、输出滤波器等基本组件组成。
输入滤波器的作用是滤除输入电压中的高频噪声和谐波，减小对整体系统的电磁干扰。
整流器将交流电转换为直流电，功率逆变器则将直流电转换为所需的交流电，输出滤波器则滤除输出电压中的高频噪声。
建立合适的电路模型有助于后续的电磁兼容性分析。
接下来，需要对开关电源电路进行电磁辐射模型的建立。
电磁辐射是指电子设备在工作过程中会产生电磁波，通过空气传播出去，可能对周围的其他设备和系统产生干扰。
通过建立电磁辐射模型，可以分析开关电源产生的电磁辐射强度以及分布情况，以便在设计阶段对其进行优化。
另外，还需要进行开关电源的电磁干扰分析。
电磁干扰是指来自外部电磁场的信号对开关电源产生的干扰，可能导致其工作异常或性能下降。
在电磁干扰分析中，需要考虑外部电磁场对开关电源不同部分的干扰程度，同时也要考虑开关电源本身的抗干扰能力。
通过建立电磁干扰模型，可以对开关电源进行干扰源和干扰路径分析，以评估其对其他设备和系统的影响。
除了电磁辐射和电磁干扰的分析，还需要对开关电源的传导干扰进行建模。
传导干扰是指开关电源产生的电磁噪声通过导线、电缆等传导媒质传播到其他设备和系统中，导致其受到干扰。
通过建立传导干扰模型，可以分析开关电源的传导路径以及传导媒质的特性，从而优化系统布局和电路设计，减少传导干扰的影响。
最后，在进行电磁兼容性的建模分析时，还需要结合实际的测试和验证。
通过实际的测试，可以验证建立的模型的准确性，并进行必要的修正和调整。
同时，还可以对设计进行改进，以提高开关电源的电磁兼容性。
综上所述，在开关电源的电磁兼容性建模分析中，需要对电路进行建模，分析其电磁辐射、电磁干扰和传导干扰等因素，并结合实际的测试和验证进行优化和改进。
通过这些分析，可以有效提高开关电源的电磁兼容性，保证其正常工作并减少对其他设备和系统的干扰。
开关电源的电磁干扰源和电磁兼容性设计介绍
开关电源的电磁干扰源和电磁兼容性设计介绍论题：传统电源的优劣性能。
开关电源的电磁干扰源。
电磁兼容性设计的介绍。
方案：根据反馈回路信息控制开关的开合调整占空比获得稳定电源输出。
采用适当的EMI滤波器抑制共模骚扰。
通过缓冲和钳位的方法克服反向尖峰电流和尖峰电压。
新接地技术分离噪声源和敏感电路。
电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
早年的线性稳压电源因其优良的稳压性能、非常小的输出纹波电压等优点而获得了广泛的应用。
但是其必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管功率损耗大，致使电源体积和重量大，效率低下。
开关电源采用更高开关频率的功率管替代工频变压器，并且采用软开关、功率因数补偿等技术使得其体积小，重量轻，效率更高，在中、小功率的市场已经代替了线性稳压电源的地位。
但是，干扰问题却随之而来。
由于开关电源的工作频率比较高(几十到几百kHz)，开关电源本身又是一个很强的功率源，因此，开关电源对电网会造成污染。
开关电源向周围空间的辐射骚扰、开关电源对同一电网中其他用电设备的高频传导干扰等电磁兼容方面的问题成了阻碍开关电源进一步推广发展的绊脚石。
20世纪90年代中期以来，世界各国从保护环境和保护人的身体健康出发，先后发展了强制性产品认证，电子和电气产品的电磁兼容性问题受到了制造商和消费者的高度重视，产品的电磁兼容性也成了产品进入世界市场大门的通行证，而开关电源的电磁兼容性更是首当其冲。
因此，只有在电源设计的过程中，严格地进行电磁兼容性设计才能保证生产出满足电磁兼容性要求的合格产品，使产品能够在世界各国市场畅通无阻，被消费者接受。
电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
其包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。
EMI是指电器产品向外发出干扰。
EMS是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。
开关电源电磁兼容设计
开关电源电磁兼容设计发表时间：2019-09-19T14:43:41.037Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：王月斌[导读] 随着我国国民经济的增长，各类工业也得到了发展，企业产品也开始根据市场的发展需求进行改进，使其性能可以更加优良，满足社会民众的使用标准，同样开关电源也是如此。
开关电源作为我国民众的生活必需品，在众多领域都能够得到应用，所以开关电源的各类性能也受到了民众的广泛关注，本文将基于此，对开关电源电磁兼容设计进行具体分析，并提出具体的措施来抑制电磁骚扰，使开关电源能够更好的为人民服务。
王月斌东莞市昊旻电子科技有限公司摘要：随着我国国民经济的增长，各类工业也得到了发展，企业产品也开始根据市场的发展需求进行改进，使其性能可以更加优良，满足社会民众的使用标准，同样开关电源也是如此。
开关电源作为我国民众的生活必需品，在众多领域都能够得到应用，所以开关电源的各类性能也受到了民众的广泛关注，本文将基于此，对开关电源电磁兼容设计进行具体分析，并提出具体的措施来抑制电磁骚扰，使开关电源能够更好的为人民服务。
关键词：开关电源；电磁；设计引言：开关电源作为社会民众的生活必需品，其性能向来受到社会民众的广泛关注，而开关电源最主要的性能就是电磁兼容，电磁兼容即在有限的空间、实践和频谱范围内，各种电气设备并存而不引起性能的下降，它包含电磁骚扰和电磁敏感两方面的内容，其中最为主要的内容就是电磁骚扰，而一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围磁场的影响，也不对周围造成电磁骚扰。
一、开关电源中的主要电磁骚扰源（一）开关电路造成的电磁骚扰电路是维持开关电源运行的最基本因素，所以对于开关电源来讲，开关电路造成的电磁骚扰是开关电源中的最主要骚扰源，其对开关电源造成的影响也是最大的，会对开关电源造成较为严重的伤害。
而开关电路作为开关电源的核心，主要元件有开关管和高频变压器，这两种主要构成元件的质量也会对开关电路造成极大的影响，所以在开关电路中，开关管和高频变压器的质量也是极为重要的。
14-和军平-开关电源的电磁兼容设计技术
0
Amplitude [dB]
Spectrum of modulated signal in EMI test Original sin signal with fsw=50kHz
20
40
60 4.5 .10
4
5 .10
4
5.5 .10
4
Calculated spectrum of modulated signal without consider the effect of EMI receiver
F (t ) = Vm1 sin[2π f c t + S 2(t )]
Frequency of F(t)
f (t ) = 1 d [2πf c t + S 2(t )] 2π dt f (t ) = f c + β f m cos(2π f m t )
fmax F(t) S S1(t) S1(t) S2(t) d(S2(t))/dt
CPSSC
Jun, 26, 2010 Hejunping
β: maximum phase angle shift in modulated signal and amplitude of modulating signal Δfpk: peak frequency derivation and amplitude of derivate of modulating signal fm: frequency of modulating signal
F (t ) = Vm1 sin(2π f c t + β sin(2π f m t )
0 Amplitude [dB] 0
Modulated signal F(t) Carrier signal S1(t)
开关电源的电磁兼容设计
开关电源的电磁兼容设计
朱明杰
【期刊名称】《电气开关》
【年(卷),期】2009(47)6
【摘要】分析了开关电源产生噪声的特点和主要原因,介绍一种电磁兼容开关电源,该电源采用改进滤波器和吸收变压器等限制高频辐射并且能够抑制其它电磁干扰,从而极大地提高了电源的电磁兼容性.经仿真证明其性能良好.
【总页数】3页(P20-22)
【作者】朱明杰
【作者单位】华南农业大学珠江学院,广州,从化,510900
【正文语种】中文
【中图分类】TM13
【相关文献】
1.基于有限元法的高频开关电源PCB电磁兼容设计与仿真 [J], 潘亚培;吴明赞;李竹
2.浅谈开关电源电磁兼容设计 [J], 段青苗
3.探究开关电源的电磁兼容设计 [J], 朱鹏
4.开关电源的电磁兼容设计 [J], 田亚芳;贾利锋;高金辉
5.开关电源电磁兼容设计要点分析 [J], 夏圣
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开关电源及其PCB电磁兼容性设计
开关电源及其PCB电磁兼容性设计CAD事业部雷勇锋[摘要]：本文通过对开关电源的概念、结构图、工作原理、电路设计、PCB电磁兼容性的论述以及对典型开关电源的分析，阐述了开关电源的PCB电磁兼容性设计要点。
[关键词]：PWM、DC/DC变换、功率因数一．前言任何电子设备都离不开可靠的电源，电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
传统的线性稳压电源虽然具有稳定性好、输出纹波电压小、使用可靠等优点；但由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整功率较大，电源效率很低，一般只有45％左右，而且具有滤波器和散热器的体积都比较大，不符电子设备小型化的要求。
开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压，具有功耗小、效率高70％～95％、高可靠性等特点；但由于开关电源引入了高频分量，所以最大的缺点是噪声大，这就需要EDA设计人员从EMC设计的角度考虑开关电源的设计，降低其噪声，达到开关电源的最大功效。
二．概述1. 开关电源的基本构成开关电源的基本构成如图一所示，其中DC\DC变换器用以进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。
输出采样电路（R1、R2）检测输出电压的变化，并与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
图一：开关电源的基本构成2. PWM开关电源的工作原理PWM开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。
PWM的开关频率一般为恒定值，控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。
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文章编号:1004-289X(2009)06-0020-03开关电源的电磁兼容设计朱明杰(华南农业大学珠江学院,广州从化510900)摘要:分析了开关电源产生噪声的特点和主要原因,介绍一种电磁兼容开关电源,该电源采用改进滤波器和吸收变压器等限制高频辐射并且能够抑制其它电磁干扰,从而极大地提高了电源的电磁兼容性。
经仿真证明其性能良好。
关键词:开关电源;电磁兼容性;电磁干扰;滤波技术;变压器中图分类号:TM13文献标识码:BE lectro magnetic Co m pati bility D esign of S w itched Po w er Supp l yZH U M ing-jie(Zhu jiang I nstitute of South Ch i n a A gricu ltural Un iversity,Conghua510900,Ch i n a)Abstract:The character i s tic and m a i n reasons of noise produced the s w itched po w er supp l y are first ana l y zed.Then a s w itched pow er supp ly w ith electro m agnetic co m pati b ility is presented.The po w er supply usesm od ified filters and absorp-ti o n transf o r m ers to li m i,t high-frequency rad iation and can contr o l o t h er electro m agnetic i n tere ference,t h us i n creasing e-lectro m agnetic co m pati b ility o f the po w er supp l y.The si m ulation proves tha t its perfor m ance is good.K ey words:s w itched pow er supp l y;E M C;E M I;filter techno l o gy;transfor m er1引言开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点,且市场上已有成品开关电源集成控制模块,使电源设计、调试简化许多,在大多数电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。
然而,开关电源自身会产生较强的电磁干扰(E M I)。
这些电磁干扰随着开关电源开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,经传导和辐射会污染周围电磁环境,对通信设备和电子仪器造成干扰,影响周围电子设备的正常运行。
例如,当电磁干扰窜入到计算机中,会引起计算机死机、数据处理系统出错、控制系统失灵、产生误动作等。
因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。
随着电子产品的电磁兼容性(E MC)日益受到重视,减少和抑制开关电源的电磁辐射,提高电子产品的质量,使之符合有关E MC标准或规范,已成为开关电源设计者的一个重要课题。
2开关电源EM I的特点开关电源功率变换器中功率半导体器件的开关频率通常较高,功率开关器件在高频下的通、断过程中不可避免地要产生强大的E M I。
与数字电路相比,开关器件功率大,但频率不太高,所以开关电源E M I呈现出鲜明的特点:(1)开关电源E M I干扰源的位置较为清楚,主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上;(2)由于它是工作于开关状态的能量转换装置,其电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;(3)印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置,具有很大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度;(4)开关频率不高(从几万H z到数兆H z),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。
3开关电源产生噪声的原因开关电源将普通电直接整流滤波成为直流高压,然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压,结构如图1所示。
开关电源产生E M I的因素较多,因为开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器在高电压、大电流及高频开关的方式下工作,其电压电流波形多为方波,所以在高压大电流的方波切换过程中,方波电压电流会产生丰富的谐波电压及谐波电流。
这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出,对同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰。
图1 开关电源结构框图开关电源中E M I 发射的主要能量属离散频谱,但也含有来自输入电源的部分连续频谱。
它还在设备的电路中产生感应电压,成为产生误动作的重要原因。
电源设备本身在开关动作时,都会在该设备输入端出现终端噪声,产生干扰辐射,并可能干扰其它设备。
另外,若设计时考虑不周,元器件也会成为电磁干扰源。
例如电线和电缆(等效电路是感性发射天线)、连接器、冷却用风扇电机、开关、继电器、电磁线圈以及处于高频高压状态下的晶体管BTR(或功率MOSFET)和二极管,如果这些器件在工作时端电压时间变化率d v /d t 或电流时间变化率d i /d t 很大,就更容易产生E M I 能量。
由于电压差可以产生电场,电流的流动可以产生磁场,丰富的谐波电压电流的高频部分,在开关电源内部就会产生电磁场,造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低。
而且部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其它高频及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起这些设备工作异常。
由于开关电源中的二极管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流,通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构等若干因素的影响,基本整流器产生电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生尖峰电压干扰。
基本整流器的整流过程常会引起电磁干扰。
因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流,而是变成单向脉动电源,此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。
较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变,另一方面通过电源线产生射频干扰,使接收机等产生噪声。
变压器型功率转换电路是实现变压,变频以及完成输出电压调整的部件,是开关稳压电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成。
它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲,其频带较宽且谐波比较丰富。
产生这种脉冲干扰的主要原因是:(1)开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感。
在开关管导通的瞬间,变压器初级出现很大的电流,它在开关管过激励较大时,将造成尖峰噪声。
这个尖峰噪声实际上是尖冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管。
(2)由高频变压器产生的干扰。
当原来饱和的开关管关断时,变压器的漏感所产生的反电势e L =-L d i /d t ,其值与集电极的电流变化率(d i /d t )成正比,与漏感量成正比,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰,不但影响变压器的初级,还会传导至配电系统,影响其它用电设备的安全和正常运行。
这是因为开关管从T on 转换到T off 时,由于变压器的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在漏感中的这部分能量将和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。
这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变,它是一种传导性电磁干扰,不但影响变压器的初级,还会使干扰传导返回配电系统,造成电网谐波电磁干扰,影响其它用电设备的安全和经济运行。
(3)由输出整流二极管产生的干扰。
在输出整流二极管截止时,有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。
其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管为硬恢复特性二极管,这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下,将产生较强的高频干扰,其频率可达几十MH z 。
4 开关电源的电磁兼容设计抑制开关电源干扰的基本手段有屏蔽、接地处理、输入输出滤波器、改良电路等多种形式。
本文采用了改良电路,采用吸收变压器以抑制分布电容的危害,降低高频噪声辐射;采用滤波电路等措施提高电源的抗干扰能力,从整体上提高了开关电源的电磁兼容性,使它在复杂的电磁环境下能够稳定运行。
411 滤波器的设计电源线是电磁干扰(E M I)出入电子设备的一个重要途径,在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径。
本电源采用了改进的滤波器,如图2所示。
与普通滤波器相比,增加了差模扼流圈、地线扼流圈以及瞬态抑制器(VDR ),同时在开关电源入口端用磁环套在引线端,这样可以有效地抑制共模、差模干扰。
图2 改进的滤波器412 逆变器设计逆变器是开关电源产生电磁辐射的主要器件,在高频下逆变器的简化等效电路如图3所示。
图3 等效电路绕组间的分布电容C 12使变压器初次级产生耦合,使初级高频噪声耦合到次级;分布电容C 1、C 2使变压器内部和主回路中产生高频的振荡环流,使变压器功率损耗增大,并且产生高频电磁辐射。
在变压器设计中,绝缘材料的选择和绕制应尽量减小各部分的分布电容,并通过在初次极之间加一屏蔽层将C 12降为零。
由于高压电源变压器是升压型的,分布电容C 1相对于C 2对电路影响较小。
为了减小次级分布电容C 2的危害,把变压器次级设计成双绕组,用吸收变压器把绕组间分布电容的谐振能量转移到主电路之外,见图4。
等效电路如图5所示,由于吸收变压器的存在,相当于在电容C 2两端各加了一个电阻,使电流尖峰减小,电路处于阻尼状态,从而减小了电磁辐射。
图4 变压器绕组结构 图5加吸收电阻变压器的等效电路当C 2=1nF 、L s =15L H 、U 1为f=50k H z ,幅值为150V 正负方波时,利用PSPI CE 仿真软件对变压器等效电路进行仿真分析。
当R s =18时,电流i c2波形如图6所示。
当R s =10008时,电流i c2的波形如图7所示。
可见吸收变压器大大降低了主电路环流的振荡电流峰值,使谐振电感与分布电容处于阻尼状态,减小了电磁辐射。
图6 R s =18时i c 2电流波形 图7 R s =10008时i c2电流波形5 结束语在开关电源中,抑制E M I 信号和高次谐波的方式还有许多,如选用开关速度高的半导体器件,合理设计制作印刷电路板,对电路板上元器件进行抗干扰布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等都能抑制电磁干扰。