2021年EMC及安全标准规范设计.doc

开关电源EMC及安全规范设计
　开关电源不需要沉重电源变压器，含有体积小、重量轻、效率高优点，且市场上已经有成品开关电源集成控制模块，使电源设计、调试简化很多，所以，在大多数电子设备（如计算机、电视机及多种控制系统）中得到了广泛应用。然而，开关电源本身产生多种噪声却形成了一个很强电磁干扰源。这些干扰伴随开关频率提升、输出功率增大而显著地增强，对电子设备正常运行组成了潜在威胁。所以，只有提升开关电源电磁兼容性，才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求场所下被采取。
　　开关电源产生噪声原因
　　开关电源种类很多，按变换器电路结构可分为串并联式和直流变换式两种；按激励方法可分为自激和它激两种；按开关管组合可分为桥式、半桥式、推挽式等。但不管何种类型开关电源全部是利用半导体器件开和关工作，并以开和关时间比来控制输出电压高低。因为它通常在20kHz以上开关频率下工作，所以电源线路内dv/dt、di/dt很大，产生很大浪涌电压、浪涌电流和其它多种噪声。它们经过电源线以共模或差模方法向外传导，同时还向周围空间辐射噪声。图1给出了一个经典开关电源电路简图，下面以此为例分析其产生噪声关键原因。
　　一次整流回路噪声
　　在一次整流回路中，整流二极管D1～D4只有在脉动电压超出C1充电电压瞬间，电流才从电源输入侧流入。所以，一次整流回路产生高次畸变波，形成噪声。
　　开关回路噪声
　　一是电磁辐射。电源在工作时，开关管Ｔ处于高频率通断状态，在由脉冲变压器初级线圈L、开关管T和滤波器C组成高频电流环路中，可能会产生较大空间辐射噪声。假如C滤波不足，则高频电流还会以差模方法传导到交流电源中去。二是感性负载引发浪涌电压。在开关回路中开关管T负载是脉冲变压器初级线圈L，是感性负载，所以开关管在通断时，在脉冲变压器初级线圈两端会出现较高浪涌电压，很可能造成和此同一回路电子器件（尤其是开关管T）损坏。
　　二次整流回路噪声
　　一是电磁辐射。电源在工作时，整流二极管D也处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈L、整流二极管D和滤波电容C组成了高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。假如电容C滤波不足，则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上，影响负载电路正常工作。
　　二次整流回路噪声
　　二是浪涌电流。硅二极管在正向导通时ＰＮ结内电荷被积累，二极管加反向电压时积累电荷将消失并产生反向电流。因为二次整流回路中D在开关转换时频率很高，即由导通转变为截止时间很短，在短时间内要让存放电荷消失就产生反电流浪涌。因为直流输出线路中分布电容、分布电感存在，使因浪涌引发干扰成为高频衰减振荡。
　　控制回路噪声
　　控制回路中脉冲控制信号是关键噪声源。
　　分布电容引发噪声
　　一是Ci作用。散热片K和开关管T集电极间即使有绝缘垫片，但因为其接触面较大，绝缘垫较薄，所以二者之间分布电容Ci在高频时不能忽略。所以高频电流会经过Ci流到散热片上，再流到机壳地，最终流到和机壳地相连交流电源保护地线PE中，以产生共模辐射。二是Cd作用。脉冲变压器初、次级之间存在分布电容Cd，可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去，在副边用作直流输出两条电源线上产生同相位共模噪声。
　　开关电源电磁兼容性设计
　　抑制开关电源噪声可采取三方面技术。
　　一、是减小干扰源干扰能量；
　　二、是破坏干扰路径；
　　三、是采取屏蔽。
　　减小干扰源能量
　　因为开关电源干扰源是不可能消除，所以减小干扰源能量就显得很必需。通常采取方法有：
　　（1）并接RC电路。在开关管T两端加RC吸收电路；在二次整流回路中整流二极管D两端加RC吸收电路，抑制浪涌电压。
　　（2）串接可饱和磁芯线圈。在二次整流回路中，和整流二极管D串接带可饱和磁芯线圈，可饱和磁芯线圈在经过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作；一旦电流要反向流过时，磁芯线圈将产生很大反电势，阻止反向电流上升，所以将它和二极管D串联就能有效地抑制二极管D反向浪涌电流。现在已经有超小型非晶型磁环成品，能够直接套在二极管正极引线上，使用方便。
　　破坏干扰路径
　　一是针对开关电源中分布电容引发电场噪声采取方法。关键抗干扰方法有：
　　（1）降低开关管集电极和散热片之间耦合电容Ci。选择低介电常数材料作绝缘垫，加厚垫片厚度，并采取静电屏蔽方法，。
　　通常开关管外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地上，散热片仍接在机壳地上，这么将大大降低集电极和散热片之间耦合电容Ci，也就降低了它们之间电场耦合。
　　（2）降低脉冲变压器分布电容Cd。在一次侧和二次侧间加静电屏蔽层，屏蔽层应尽可能靠近发射极并接地，这么