如何预防和抑制开关电源的“辐射”干扰？

概述尽管开关电源没有作为一个大类产品出现在我国的强制性产品认证目录中，但是在信息技术类设备提到的12种产品中，将计算机的内置电源和电源适配器与微型计算机、便携式计算机、计算机连用的显示设备、计算机连用的打印设备、多用途打印复印机、扫描仪、充电器、电脑游戏机、学习机、复印机、服务器、金融及贸易结算电子设备等一起列为强制认证的产品。
还有更多的电子设备，尽管在认证的实施细则中没有直接提到开关电源的问题，但是在它的认证中（这里指的是广义“认证”，有一些产品不需要3C认证，但有“入网”认证要求）都无一例外提到了要做电磁兼容性试验。由于开关电源作为这些设备中与电网连接的关键部件，所以这些试验都和开关电源的电磁兼容性有关。因此，无论开关电源是不是作为一个独立产品参加强制产品认证，但作为电子设备与电网连接的一个首当其冲的部件，只要这个产品需要参加认证，那么开关电源都必须经受电磁兼容性试验。迄今为止，开关电源电磁兼容性测试的国家标准尚未出台，但是在参加强制性产品认证的信息技术设备类产品，在“机内开关电源的认证试验项目一览表”（国家认证认可监督管理委员会颁布）中列出了3个电磁兼容测试项目，分别是0.15MHz ～ 30MHz 电源端传导骚扰电压测试；30MHz～1000MHz辐射骚扰场强测试；暂态谐波电流测试。十分明显，这几项试验都是测试开关电源自身工作中所产生的电磁骚扰，分别是对射频性质的传导骚扰电压和辐射骚扰场强测试；以及对电网污染的谐波电流测试。为了保证设备之间的电磁兼容性，对开关电源的这三项测试是适当的，也是必须的。关于开关电源认证中遇到的这些电磁兼容问题，都是近年开关电源业界讨论的热点，其中开关电源的谐波抑制的话题，在每年都有大量的文章见诸于技术杂志和书刊。而有关开关电源的传导和辐射骚扰的抑制问题的谈论则略见少些，为此，我在以前的电源工程师的聚会上曾经就《开关电源的骚扰抑制问题》作过交流，着重说了一个开关电源的传导骚扰抑制问题。这次则想重点介绍开关电源的辐射骚扰的抑制问题。开关电源的辐射骚扰限值按GB9254-1998《信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法》的要求。不同频率范围的A级和B级设备辐射骚扰限值见表1所示。4.4.2 对次级整流回路的处理对于次级回路中作整流的高速二极管的反向恢复现象，在晶体管截止瞬间出现电流的陡变，因其有着很高的di/dt值，而产生的辐射能量。为了控制这种辐射：①可以在变压器输出引线到整流二极管的馈线中使用磁珠。②在高速二极管的两端跨接低损耗陶瓷电容（或聚酯薄膜电容器）与电阻串联而成的缓冲电路。其中电容的典型值为330pF～4700pF，或更大（如10000pF）；电阻为0Ω～27Ω。电阻所消耗的功率PR可作如下估算：PR ＝CS(VS ) 2f式中：CS是并联电容，F；VS是次级电压，V；f 是开关电源工作的频率，Hz。上式表明，缓冲电路的电容越大，将来在电阻上的功率损耗也越大，开关电源的效率会变得低些。通常开关电源整流二极管上缓冲电路的参数是采用实物试探法来选择的，应当在开关电源的设计阶段就加以确定。此外，为了取得尽量好的缓冲吸收效果，缓冲电路要尽量靠近整流二极管来安装。③使用软恢复二极管（在直流输出电压比较低的场合，还可采用肖特基二极管。一方面由于反向恢复时间短，可以不用缓冲电路；另一方面由于顺向压降低，使得开关电源在输出电压比较低的情况下，也能取得比较高的效率）。4.5 开关电源印刷线路板的设计前面讲述了开关电源的辐射骚扰的抑制，着重于从印刷线路板的布局和缓冲吸收电路的采用等几个方面来进行叙述。但是就印刷线路板的设计来看，这还是不够的，至少还应当包含地线的噪声、印刷线路的长度、印刷线路之间的耦合等有关问题。所以在结束《开关电源的辐射骚扰抑制问题》这一话题前还想讲一讲开关电源印刷线路板设计方面的事情。通常开关电源的印刷电路板是开关电源设计的最后一个环节，但是设计不当，就有可能会辐射出过多的电磁骚扰。应该指出，要对开关电源所有的线路都实现最佳布线是不可能的，所以要抓住重点。从电磁骚扰发射的角度考虑，最重要的信号是高电流和电压变化率（di/dt和dv/dt）信号。对开关电源来说是初级的开关调整回路和次级的整流输出回路。这两个回路都包含高幅值的梯形电流，其中的谐波成分很高，其频率远高于开关的基频。因此这两个回路最容易产生电磁干扰，必须在电源中先于其它印制线布线之前布好这两个回路。这两个回路都包含三种主要的元件，分别是滤波电容、开关晶体管或整流二极管、以及电感或变压器。这些器件应彼此相邻地进行放置，开关晶体管和整流二极管的位置应该使它们之间的电流路径尽可能短。最佳设计流程如下：① 放置变压器② 设计电源的初级开关电流回路③ 设计电源的次级整流输出回路另外，从敏感度的角度出发，针对开关电源来说反馈控制则是最重要的敏感线路（这里包括与这部分电路相关的地线处理，参看本讲座的图7）。一旦把这些重要信号分离出来，在开关电源的印刷电路板设计时就可以把重点放到这些线路的设计上，其他问题也就容易解决了。在对开关电源印刷电路布局时要掌握以下原则：① 首先是印刷电路板的尺寸。尺寸不能过大，否则印刷线条太长，使阻抗增加，而抗干扰的能力下降，成本也增加。尺寸过小则散热不好，且邻近线条间易受干扰。电路板的最佳形状是矩形，长宽比为3︰2或4︰3。并从印刷电路板的两端引进线和出线（一端是进线，另一端是出线。进线和出线不能靠得太近）。② 由于线路的长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率就越低，也就能辐射或接受出更多的射频能量。另外，从减少环路电阻和减小公共路径的相互干扰出发，根据通过电流的大小，尽量加大印刷线布线的宽度。因此在布局和布线时要以功能电路核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在印刷电路板上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，缓冲电路要尽量靠近被保护的器件，尽可能地减小关键环路的面积，以抑制开关电源的辐射骚扰。③ 开关电源的印刷电路布局时，要按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。还要考虑元器件之间的分布参数。一般应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，便于批量生产。开关电源的电磁兼容性处理实例经实验室测试，某款开关电源的辐射骚扰超过标准限值在20dB左右，采用实验室里容易实现的措施进行如下改进：●在所有整流二极管两端并470pF电容；●在开关管控制极的输入端并联50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一个RC低通滤波器；●在各输出滤波电容（电解电容）上并联一个0.01μF电容；●在整流二极管管脚上套一个小磁珠；●改善屏蔽体的接地。经过上述改进后，该电源就通过辐射干扰测试的限值要求。电源联盟---高可靠电源行业第一自媒体
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