浅谈开关电源EMI设计中的那些事

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。 高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感(引线电感、杂散电感等)产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。
开关电源多采用脉冲宽度调制(PWM)技术，脉冲波形呈矩形，其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性的不利因素，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。
产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术。
当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围为0.15MHz-30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。要抑制这些传导干扰是比较容易的，只要使用适当的EMI滤波电路，就能将其在电源线上的EMI信号电平控制在有关EMC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，EMI滤波器端接的阻抗应使滤波器在严重失配的状态下工作，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，如图所示：file:///C:\Users\song\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps8F82.tmp.jpg
  差模抑制电容CX1，CX2：0.1uF~0.47uF； 差模抑制电感L1，L2 ：100uH~130uH；共模抑制电容C y1，C y2 ：<10000pF； 共模抑制电感L  ：15mH~25mH。
设计时首先必须考虑共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率要明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10KHz，即  在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不一样，所采用的滤波电路也有变化，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。
开关电源所产生的杂讯以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模 电感，再增加一级共模滤波电感，还有一个原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：“(1)尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局;(2)通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
开关电源EMI抑制9大措施分别是：“(1)减小dv/dt和di/dt(降低其峰值、减缓其斜率)(2)压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压(3)阻尼网络抑制过冲(4)采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI(5)有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术(6)采用合理设计的电源线滤波器(7)合理的接地处理(8)有效的屏蔽措施(9)合理的PCB设计
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