EMC 设计技术

EMC 设计技术

随着电力电子技术的发展，开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源但是，由于开关电源工作频率高，内部会产生很高的电流、电压变化率(即高dv／dt和di／df)，导致开关电源模块产生较强的电磁干扰，并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作，当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响，电磁干扰将造成传输信号畸变，影响电子设备的止常工作对于雷电、静电放电等高能量的

电磁下扰，严重时会损坏电子设备而对于某些电子设备，电磁辐射会引起重要

信息的泄漏，严重时会威胁国家信息安全这就是我们所讨论的电磁兼容性问题另外，国家开始对部分电子产品强制实行3C认证，因此，一个电子设备能否

满足电磁兼容标准，将关系到这一产品能否在市场上销售，所以，进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要

日常生活中常用的频率范围，包括交流电源频率、音频、长、中、短波收音机占有的频段、调频及电视广播、蜂窝电话常用的900MHz 及1.8GHz。但实际的频谱远比这拥挤得多，9KHz 以上的频段几乎都被用于特定的场合。随着微波技术广泛应用于日常生活，该图中所示的频率也很快将扩展至10GHz（甚至

100GHz）。

交流电源整流器件在基频至相当高的谐波频率范围内均可发射开关噪声，具体情况取决于这些器件的功率。5 千伏安左右的电源（线性或开关模式）由于其50 或60Hz 桥式整流所产生的开关噪声，通常在数MHz 频率以下不能满足传导发射的限制要求。可控硅直流电机驱动装置及交流移相控制系统所产生的噪声也大致如此。这些噪声极易干扰中长波和部分短波广播。

开关电源的工作基频一般在2kHz 至500kHz 之间。开关电源在其工作频率1000 倍的频率处仍具有很强的发射是常见的。图15 给出了个人计算机中常用的频率为70kHz 的开关电源的发射频谱。这将干扰包括调频广播在内的广播通信。这些器件的发射通常会在200MHz 甚至更高的频率超过发射极限值。目前，由于个人计算机采用400MHz 甚至1GHz 以上的时钟频率，因此数字技术必然会对高端频谱产生干扰。之所以会发生以上各种现象，是因为所有导体都是天线。它们把传输的电能转变成电磁场，然后泄漏到广阔的环境中。同时，它们也能把其周围的电磁场转变成传导电信号。这是放之四海而皆准的真理。因此，导体是信号产

生辐射发射的主要原因，也是外来场使信号受到污染的原因（敏感度和抗扰度）。

1 内部噪声干扰源分析

l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰

在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等，由于这些二极管都工作在开关状态，在二极管由阻断状态到导通的转换过程中，将产生一个很高的电压尖峰UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中，存在一个反向恢复时间trr在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰URP由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流尖峰IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源

1.2 开关管开关时产生的电磁干扰

在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰在反激

变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少开关管在开通时，由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的dv／dt和很高的尖峰电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di／dt和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰

1.3 电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰

在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，另外，功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频电磁场；电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时，当它工作在饱和状态时，将会产生电流突变，这些都会引起电磁干扰

l.4 控制电路引起的电磁干扰

控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。

l.5 其他电磁干扰

电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等

另外，不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上，从而影响其它电路的正常工作还有热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作

2 外界的电磁干扰

对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周围的高频发射设备

导体的泄漏与天线效应电场（E）由导体上的电压产生，磁场（M）由环路中流动的电流产生。导体上的各种电信号均可产生磁场和电场，因此，所有导体都可将其上的电信号泄漏至外部环境中，同时也将外部场导入信号中。

在远大于所关心频率的波长（λ）的1/6 处，电场和磁场汇合成包含电场和磁场的完整电磁场（平面波）。例如：对于30MHz，平面波的转折点在1.5m；对于300MHz，平面波的转折点在150m；对于900MHz，平面波的转折点在50m。因此随着频率的增加，仅仅把导体视为电场或磁场的发射和接收器是不够的。随频率增加的另一个效应是：当波长（λ）与导体的长度比拟时，会发生谐振。这时信号信号几乎可以100%转换成电磁场（或反之）。例如，标准的振子天线仅是一段导线，但当其长度为信号波长的1/4 时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器。

虽然这是一个很简单的事实，但对于使用电缆及连接器的技术人员而言，认识到所有的导体都是谐振天线这一点很重要。显然，我们希望它们都是效率很低的天线。如果假定导体是一个振子天线（很适合我们的目的）。

理想天线时导体的长度与频率的关系。很明显，在常用的频段内，即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz 处，1 米长的导体就是很有效的天线，在1GHz 处，100mm 的导体就成为很好的天线。这个简单的