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开关电源EMI设计与整改策略100条（一）
日期：2024-12-21 13:18
浏览次数：369
摘要：EMC的分类及标准
EMC（Electromagnetic Compatibility）是电磁兼容，它包括EMI（电磁骚扰）和EMS（电磁抗骚扰）。EMC定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分为传导Conduction及辐射Radiation两部分，
Conduction规范一般可分为： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN6100...
EMC的分类及标准
EMC（Electromagnetic Compatibility）是电磁兼容，它包括EMI（电磁骚扰）和EMS（电磁抗骚扰）。EMC定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分为传导Conduction及辐射Radiation两部分，
Conduction规范一般可分为： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
国标IT类（GB9254，GB17625）和AV类（GB13837，GB17625）。
FCC测试频率在450K－30MHz，CISPR 22测试频率在150K－－30MHz，Conduction可以用频谱分析仪测试，Radiation则必须到专门的实验室测试。
EMI为电磁干扰，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 电磁干扰， EMI包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的，通常称作干扰的三要素。 EMI线性正比于电流，电流回路面积以及频率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是电流，S是回路面积，F是频率，K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。
辐射干扰（30MHz—1GHz）是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何装置都能辐射电磁波的。
传导干扰（150K－－30MHz）是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。
EMI是指产品的对外电磁干扰。一般情况下分为Class A ＆ Class B 两个等级。 Class A为工业等级，Class B为民用等级。民用的要比工业的严格，因为工业用的允许辐射稍微大一点。同样产品在测试EMI中的辐射测试来讲，在30－230MHz下，B类要求产品的辐射限值不能超过40dBm 而A类要求不能超过50dBm（以三米法电波暗室测量为例）相对要宽松的多，一般来说CLASSA是指在EMI测试条件下，无需操作人员介入，设备能按预期持续正常工作，不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失。
EMI是设备正常工作时测它的辐射和传导。在测试的时候，EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限，分别代表Class A和Class B，如果观察的波形超过B的线但是低于A的线，那么产品就是A类的。EMS是用测试设备对产品干扰，观察产品在干扰下能否正常工作，如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降，为A级。能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降，为B级。不能自动重启需人为重启为C级，挂掉为D级。国标有D级的规定，EN只有A，B，C。EMI在工作频率的奇数倍是*不好过的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 电磁敏感度一般俗称为“电磁**力”，是设备抗外界骚扰干扰之能力，EMI是设备对外的骚扰。
EMS中的等级是指：Class A，测试完成后设备仍在正常工作；Class B，测试完成或测试中需要重启后可以正常工作；Class C，需要人为调整后可以正常重启并正常工作；Class D，设备已损坏，无论怎样调整也无法启动。严格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI电路：
X电容的作用：
抑制差模杂讯，电容量越大，抑制低频杂讯效果越好。
Y电容的作用：
抑制共模杂讯，电容量越大，抑制低频杂讯效果越好。Y电容使次级到初级地线提供一个低阻抗回路，使流向地再通过LISN回来的电流直接短路掉，由于Y电容非完全理想，次级各部分间也存在阻抗，所以不可能全部回来。还是有一部分流到地。Y电容必须直接用尽量短的直线连接到初级和次级的冷地， 如果开通时MOS的dv／dt大于关断时的dv／dt， 则Y电容连接到初级的地； 反之连接到V＋。
共模电感的作用：
抑制共模杂讯，电感量越大，抑制低频杂讯效果越好。增加共模电流部分的阻抗，减小共模电流。
差模电感的作用：
抑制差模杂讯，电感量越大，抑制低频杂讯效果越好。
开关电源设计前的一般应对策略
采用交流输入EMI滤波器
通常干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式。共模干扰是载流体与大地之间的干扰：干扰大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线 对大地间，主要是由du／dt产生的，di／dt也产生一定的共模干扰。而差模干扰是载流体之间的干扰：干扰大小相等、方向相反，存在于电源相线与中线及 相线与相线之间。干扰电流在导线上传输时既可以共模方式出现，也可以差模方式出现；但共模干扰电流只有变成差模干扰电流后，才能对有用信号构成干扰。
交流电源输人线上存在以上两种干扰，通常为低频段差模干扰和高频段共模干扰。在一般情况下差模干扰幅度小、频率低、造成的干扰小；共模干扰幅度大、频率高， 还可以通过导线产生辐射，造成的干扰较大。若在交流电源输人端采用适当的EMI滤波器，则可有效地抑制电磁干扰。电源线EMI滤波器基本原理如图1所示， 其中差模电容C1、C2用来短路差模干扰电流，而中间连线接地电容C3、C4则用来短路共模干扰电流。共模扼流圈是由两股等粗并且按同方向绕制在一个磁芯 上的线圈组成。如果两个线圈之间的磁藕合非常紧密，那么漏感就会很小，在电源线频率范围内差模电抗将会变得很小；当负载电流流过共模扼流圈时，串联在相线上的线圈所产生的磁力线和串联在中线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。 因此即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。 这里共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料。
图1 电源线滤波器基本电路图
利用吸收回路改善开关波形
开关管或 二极管在开通和关断过程中，由于存在变压器漏感和线路电感，二极管存储电容和分布电容，容易在开关管集电极、发射极两端和二极管上产生尖峰电压。通常情况下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌电压吸收回路如图2所示。
图2 RCD浪涌电压吸收回路
当吸收回路上的电压超过一定幅度时，各器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，同时将浪涌电压限制在一定的幅度。在开关管集电极和输出二极管的正极引线上串接 可饱和磁芯线圈或微晶磁珠，材质一般为钴（Co），当通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小。一旦电流要反向流过时，它将产生很大的反电势，这样就能有效地 抑制二极管VD的反向浪涌电流。
利用开关频率调制技术
频率控制技术是基于开关干扰的能量主要集中在特定的频率上，并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量分散在较宽的频带上，则可以达到降低于扰频谱峰值的目的。通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。
随机频率法是在电路开关间隔中加人一个随机扰动分量，使开关干扰能量分散在一定范围的频带中。研究表明，开关干扰频谱由原来离散的尖峰脉冲干扰变成连续分布干扰，其峰值大大下降。
调制频率法是在锯齿波中加人调制波（白噪声），在产生干扰的离散频段周围形成边频带，将干扰的离散频带调制展开成一个分布频带。这样，干扰能量就分散到这些分布频段上。在不影响变换器工作特性的情况下，这种控制方法可以很好地抑制开通、关断时的干扰。
采用软开关技术
开关电源的干扰之一是来自功率开关管通／断时的du／dt，因此，减小功率开关管通／断的du／dt是抑制开关电源干扰的一项重要措施。而软开关技术可以减小开关管通／断的du／dt。
如果在开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件就构成辅助网络。在开关过程前后引人谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开通过程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和干扰，这种电路称为软开关电路。
根据上述原理可以采用两种方法，即在开关关断前使其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和干扰，这种关断方式称为零电流关断；或在开关开通前使其电压为 零，则开关开通时也不会产生损耗和干扰，这种开通方式称为零电压开通。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电流开关和零电压开关，基本电路如图3和 图4所示。
图3 零电压开关谐振电路
图4 零电流开关谐振电路
通常采用软开关电路控制技术，结合合理的元器件布局及印制电路板布线、接地技术，对开关电源的EMI干扰具有一定的改善作用。
EMC（Electromagnetic Compatibility）是电磁兼容，它包括EMI（电磁骚扰）和EMS（电磁抗骚扰）。EMC定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分为传导Conduction及辐射Radiation两部分，
Conduction规范一般可分为： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
国标IT类（GB9254，GB17625）和AV类（GB13837，GB17625）。
FCC测试频率在450K－30MHz，CISPR 22测试频率在150K－－30MHz，Conduction可以用频谱分析仪测试，Radiation则必须到专门的实验室测试。
EMI为电磁干扰，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 电磁干扰， EMI包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的，通常称作干扰的三要素。 EMI线性正比于电流，电流回路面积以及频率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是电流，S是回路面积，F是频率，K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。
辐射干扰（30MHz—1GHz）是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何装置都能辐射电磁波的。
传导干扰（150K－－30MHz）是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。
EMI是指产品的对外电磁干扰。一般情况下分为Class A ＆ Class B 两个等级。 Class A为工业等级，Class B为民用等级。民用的要比工业的严格，因为工业用的允许辐射稍微大一点。同样产品在测试EMI中的辐射测试来讲，在30－230MHz下，B类要求产品的辐射限值不能超过40dBm 而A类要求不能超过50dBm（以三米法电波暗室测量为例）相对要宽松的多，一般来说CLASSA是指在EMI测试条件下，无需操作人员介入，设备能按预期持续正常工作，不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失。
EMI是设备正常工作时测它的辐射和传导。在测试的时候，EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限，分别代表Class A和Class B，如果观察的波形超过B的线但是低于A的线，那么产品就是A类的。EMS是用测试设备对产品干扰，观察产品在干扰下能否正常工作，如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降，为A级。能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降，为B级。不能自动重启需人为重启为C级，挂掉为D级。国标有D级的规定，EN只有A，B，C。EMI在工作频率的奇数倍是*不好过的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 电磁敏感度一般俗称为“电磁**力”，是设备抗外界骚扰干扰之能力，EMI是设备对外的骚扰。
EMS中的等级是指：Class A，测试完成后设备仍在正常工作；Class B，测试完成或测试中需要重启后可以正常工作；Class C，需要人为调整后可以正常重启并正常工作；Class D，设备已损坏，无论怎样调整也无法启动。严格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI电路：
X电容的作用：
抑制差模杂讯，电容量越大，抑制低频杂讯效果越好。
Y电容的作用：
抑制共模杂讯，电容量越大，抑制低频杂讯效果越好。Y电容使次级到初级地线提供一个低阻抗回路，使流向地再通过LISN回来的电流直接短路掉，由于Y电容非完全理想，次级各部分间也存在阻抗，所以不可能全部回来。还是有一部分流到地。Y电容必须直接用尽量短的直线连接到初级和次级的冷地， 如果开通时MOS的dv／dt大于关断时的dv／dt， 则Y电容连接到初级的地； 反之连接到V＋。
共模电感的作用：
抑制共模杂讯，电感量越大，抑制低频杂讯效果越好。增加共模电流部分的阻抗，减小共模电流。
差模电感的作用：
抑制差模杂讯，电感量越大，抑制低频杂讯效果越好。
开关电源设计前的一般应对策略
采用交流输入EMI滤波器
通常干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式。共模干扰是载流体与大地之间的干扰：干扰大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线 对大地间，主要是由du／dt产生的，di／dt也产生一定的共模干扰。而差模干扰是载流体之间的干扰：干扰大小相等、方向相反，存在于电源相线与中线及 相线与相线之间。干扰电流在导线上传输时既可以共模方式出现，也可以差模方式出现；但共模干扰电流只有变成差模干扰电流后，才能对有用信号构成干扰。
交流电源输人线上存在以上两种干扰，通常为低频段差模干扰和高频段共模干扰。在一般情况下差模干扰幅度小、频率低、造成的干扰小；共模干扰幅度大、频率高， 还可以通过导线产生辐射，造成的干扰较大。若在交流电源输人端采用适当的EMI滤波器，则可有效地抑制电磁干扰。电源线EMI滤波器基本原理如图1所示， 其中差模电容C1、C2用来短路差模干扰电流，而中间连线接地电容C3、C4则用来短路共模干扰电流。共模扼流圈是由两股等粗并且按同方向绕制在一个磁芯 上的线圈组成。如果两个线圈之间的磁藕合非常紧密，那么漏感就会很小，在电源线频率范围内差模电抗将会变得很小；当负载电流流过共模扼流圈时，串联在相线上的线圈所产生的磁力线和串联在中线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。 因此即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。 这里共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料。
图1 电源线滤波器基本电路图
利用吸收回路改善开关波形
开关管或 二极管在开通和关断过程中，由于存在变压器漏感和线路电感，二极管存储电容和分布电容，容易在开关管集电极、发射极两端和二极管上产生尖峰电压。通常情况下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌电压吸收回路如图2所示。
图2 RCD浪涌电压吸收回路
当吸收回路上的电压超过一定幅度时，各器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，同时将浪涌电压限制在一定的幅度。在开关管集电极和输出二极管的正极引线上串接 可饱和磁芯线圈或微晶磁珠，材质一般为钴（Co），当通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小。一旦电流要反向流过时，它将产生很大的反电势，这样就能有效地 抑制二极管VD的反向浪涌电流。
利用开关频率调制技术
频率控制技术是基于开关干扰的能量主要集中在特定的频率上，并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量分散在较宽的频带上，则可以达到降低于扰频谱峰值的目的。通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。
随机频率法是在电路开关间隔中加人一个随机扰动分量，使开关干扰能量分散在一定范围的频带中。研究表明，开关干扰频谱由原来离散的尖峰脉冲干扰变成连续分布干扰，其峰值大大下降。
调制频率法是在锯齿波中加人调制波（白噪声），在产生干扰的离散频段周围形成边频带，将干扰的离散频带调制展开成一个分布频带。这样，干扰能量就分散到这些分布频段上。在不影响变换器工作特性的情况下，这种控制方法可以很好地抑制开通、关断时的干扰。
采用软开关技术
开关电源的干扰之一是来自功率开关管通／断时的du／dt，因此，减小功率开关管通／断的du／dt是抑制开关电源干扰的一项重要措施。而软开关技术可以减小开关管通／断的du／dt。
如果在开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件就构成辅助网络。在开关过程前后引人谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开通过程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和干扰，这种电路称为软开关电路。
根据上述原理可以采用两种方法，即在开关关断前使其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和干扰，这种关断方式称为零电流关断；或在开关开通前使其电压为 零，则开关开通时也不会产生损耗和干扰，这种开通方式称为零电压开通。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电流开关和零电压开关，基本电路如图3和 图4所示。
图3 零电压开关谐振电路
图4 零电流开关谐振电路
通常采用软开关电路控制技术，结合合理的元器件布局及印制电路板布线、接地技术，对开关电源的EMI干扰具有一定的改善作用。
