开关电源（smps）电磁兼容设计(转）

hugo953636

  摘要 ：分析了开关电源输入端 EMC 设计的原理，并在一些实践基础上提出了具体的抑制 EMI 的措施。

0 引言

开关电源一般都采用脉冲宽度调制 ( PWM ) 技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰 ( EMD ) 源，它产生的 EMI 信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的 EMI 信号会变得更加强烈和复杂。

本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的 EMI 滤波器的设计以及对辐射 EMI 的抑制。

1 开关电源产生 EMI 的机理

数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图 1 所示的脉冲串表示。根据傅里叶级数展开的方法，可用式 (1) 计算出信号所有各次谐波的电平。

                               
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式中： An 为脉冲中第 n 次谐波的电平；
Vo 为脉冲的电平；
T 为脉冲串的周期；
tw 为脉冲宽度；
tr 为脉冲的上升时间和下降时间。

开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。假定某 PWM 开关电源脉冲信号的主要参数为： Vo=500V ， T=2×10 － 5 s ， tw=10 － 5 s ， tr= 0.4×10 － 6 s ，则其谐波电平如图 2 所示。


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图 2 中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是 EMI 信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰 ( 频率范围为 0.15 ～ 30MHz ) 和电场辐射干扰 ( 频率范围为 30 ～ 1000MHz ) 的测量中反映出来。

在图 2 中，基波电平约 160dBμV ， 500MH z 约 30dBμV ，所以，要把开关电源的 EMI 电平都控制在标准规定的限值内，是有一定难度的。

2 开关电源 EMI 滤波器的电路设计

当开关电源的谐波电平在低频段 ( 频率范围 0.15 ～ 30MHz ) 表现在电源线上时，称之为传导干扰。要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的 EMI 滤波器，就能将其在电源线上的 EMI 信号电平抑制在相关标准规定的限值内。

要使 EMI 滤波器对 EMI 信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的 EMI 滤波器的输入阻抗应该是高阻抗 ( 如电感量很大的串联电感 ) ；如果噪音源内阻是高阻抗的，则 EMI 滤波器的输入阻抗应该是低阻抗 ( 如容量很大的并联电容 ) 。这个原则也是设计抑制开关电源 EMI 滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的 EMI 滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图 3 所示。

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设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于 10kHz ，即 [wmv]http://www.dianyuangu.com/jiaocheng/tupian/285/5.gif[/wmv]

在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过 EMI 试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。