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。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的。同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁及均流等功能。PWM反馈控制模式主要有五种：电压模式控制、峰值电流模式控制、平均电流模式控制、滞环电流模式控制及相加模式控制。3：开关电源的电气参数

开关电源的电气参数一般有：输入电压、输出电压、初始精度、温度系数、PWM比较器传播延时、电源效率、功率因素、最大输出电流、噪声、输入电压调整率。其中初始精度（Initial Accuracy）用于衡量一个电压基准输出电压的精确度或容限，即电压基准工作时其输出电压偏离正常值的大小。通常初始精度为相对误差值，用百分比表示。温度系数（Temperature Coefficient）用于衡量一个电压基准输出电压因环境温度变化而偏离正常值的程度，通常用ppm/℃。噪声（Noise）是指电压基准输出端的电噪声，它包括两类：一类是宽频带的热噪声；另一类是窄带噪声。宽频带的热噪声较小，且可以利用简单的RC网络滤除；窄带噪声是基准内部固有的，且不可滤掉。在高精密设计中，噪声的因素是不可忽视的。功率因素（Power Factor）的定义PF=有功功率/视在功率，是指被有效利用功率的百分比。没有利用的无效功率在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加了线路的损耗，而且成为污染源。对开关电源的谐波分量进行抑制，有利于提高开关电源的功率因素。其他电气参数就不一一概述。

4：开关电源的保护电路

因为电源在由它负载所组成的整个电子系统中，不但要承受来自电网与外界的（诸如电压跌落、浪涌与中断、频率变化、波形失真、持续噪声、电磁干扰、瞬变等）不良影响的考验，而且还要经受来自负载的（诸如过流、短路、瞬变、过电压等方面）严峻考验。因此，对于电源设计工程师来讲，仅对电源进行常规的输入、输出性能设计是不够的。还要对电源进行在超额定条件下（例如强辐射、超压、超温、超载等）的设计和验证。只有这样，才能使电源在任何恶劣的条件下都能安全、可靠的工作。为了达到这一目的，设计时必须考虑到在任何超额定条件下都能使电源不致实效和损坏的措施。理想的电源保护具有以下特征：1）在进入超额定条件下，电源能安全地进入子保护状态。

2）开关电源进入保护状态期间，其功耗愈小愈好，电子元器件的工作应力愈小愈好，使电源进入睡眠状态。

3）保护电路具有自动解除功能。

4）保护电路的构成愈简单愈好，最好无需再给保护线路另行提供电源，保护电路本身

的功率愈小愈好，以保证提高电源的整体效率。

三：开关电源的电磁兼容性设计

1：开关电源的电磁兼容性

开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。从整机的电磁性讲，其主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电磁波耦合几种。共阻抗耦合主要是辐射源与受骚扰体在电气上存在的共同阻抗，通过该阻抗使骚扰信号进入骚扰体。线间耦合主要是产生骚扰电压及骚扰电流的导线或PCB线因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的低频磁场对骚扰对象产生的耦合。电磁耦合主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波通过空间向外辐射，对相应的受骚扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。

在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，电压或电流均接近方波，方波信号含有丰富的高次谐波。同时由于电源变压器的漏电感及分布电容以及主功率开关器件的工作状态非理想，在高频开关时常常产生高频电压的尖峰谐波振荡。这些高次谐波通过开关管的分布电容传入内部电路或通过变压器向空间辐射。用整流或续流二极管也是产生高频骚扰的一个重要原因。

开关电源一般利用储能电感及电容器组成L、C滤波电路，实现对差模和共模骚扰信号的滤波。由于电感线圈的分布电容，导致了电感线圈的自谐振频率降低，从而使大量的高频骚扰信号穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器随着骚扰信号频率上升，引起电感作用导致电容量和滤波效果降低，甚至导致电容器参数的改变，也是产生电磁骚扰的一个原因。另外PCB布局、布线不合理，结构设计不合理，电源线输入滤波不合理等都会导致系统工作不稳定。

2：电磁兼容性解决方法

从电磁兼容性的三要素讲要解决开关电容的电磁兼容性问题，可从三个方面入手：减小辐射源产生的骚扰信号；切断骚扰信号的传播途径；增强受骚扰体的抗骚扰能力。

减小开关电源的内部骚扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性和可靠性，应从以下几方面入手：第一，注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确分区；第二，数字电路与模拟电路的正确去耦；第三，数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰，减小环地的影响，布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串绕，减小高电压大电流回路特别是开关管、电源滤波电容电路所包围的面积，减小滤波电感的分布电容，运用谐振频率高的滤波电容器等。

另外采用TVS管及相应的接地保护、加强机壳屏蔽效果、选用防静电器件等都是解决电磁兼容性的方法。

3：开关电源的PCB电磁兼容性设计

1）约束条件设计

开关电源由于是大功率器件，所以对与PCB布线时输入、输出引脚的布线宽度设计满