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开关电源中的电磁兼容问题难点（一）
日期：2024-06-26 03:14
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摘要： 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...
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。
2. 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。
在标准中，限值是以测试距离为10m给出的，但试验常常会在3m测量距离的实验室进行，这时要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 来修正。举例说， B 级设备在10m 处、在30 ～ 230 MHz 频段内的限值为30dBμV/m ，而在3m测量距离的限值应修正为40dBμV/m ；同样在230～1000MHz频段内应修正为47dBμV /m。
3. 测试辐射骚扰发射的试验配置
按照GB9254标准的要求，受试设备的辐射骚扰发射试验在电波暗室中进行（图1），基本的试验仪器是两件：接收天线和带有准峰值检波的干扰接收机。测试距离通常为3m。
4.开关电源的辐射骚扰抑制问题
开关电源的设计至今仍十分依赖实验室的工作，采取先搭板试验，再逐步调整的办法。随着产品复杂程度越来越高，使处理问题的难度也越来越大。*好的办法是，设计人员对线路的工作要有一个预判，在搭板的过程中把其中的电磁兼容问题考虑在印刷线路板的布局和布线当中，相信对加快开关电源的开发过程会起到一个事半功倍的效果。
通常印刷线路板（泛指所有电子设备的印刷线路板）自身的电磁兼容问题与线路板里的电磁干扰源、干扰耦合路径及受干扰的敏感部件有关系。
但是对开关电源这样设备的电磁兼容问题，就不止是一个自身的电磁兼容问题，还有向外的骚扰发射问题，当然还有一个外界的电磁骚扰对开关电源的干扰问题。这里着重讨论开关电源向外的骚扰发射问题，特别是辐射骚扰发射的问题。
我们知道，当传输线或印刷线路板里有射频电流通过时，该电流从电流发生电路流出，到达负载后，还要通过返回路径回到电流发生器，形成电流的闭合回路。电流在流过闭合回路时就会产生磁场。按照电磁场理论，伴随磁场产生的同时，又会产生一个辐射的电场。通过电场和磁场的交互作用就形成了射频辐射能量的产生与传播。这就是印刷线板引起辐射干扰的主要原因。
这样看来，消除印刷线路板中磁场的发生是消除电磁干扰源的主要手段，其中印刷线路板的布局和布线便成为印刷线路板设计的首要任务。在高频开关电源的设计时这个问题尤其突出，因为开关电源是功率电路，高频与大电流是开关电源产生电磁干扰的主要问题。
4.1 开关电源的辐射骚扰发生
图2 是介绍在《开关电源的传导骚扰抑制问题》时用于说明电源中电磁骚扰产生与耦合途径的示意图。
在开关电源工作时，初级逆变回路中的开关管Q处在高频通断状态，经由高频变压器T初级线圈、开关管Q和输入滤波电容C8形成了一个高频电流环路。这个环路的存在，就可能对空间形成电磁辐射。
开关电源在工作时，次级整流回路的D5也处于高频通断状态。由高频变压器次级线圈、整流二极管D5和滤波电容C9构成了高频开关电流的环路。由于有这个环路的存在，同样也有可能对空间形成电磁辐射。
另外，初级回路中变压器漏感的存在会加剧初级开关管电压波形的变化，进而影响开关电源经由开关管散热器向外传递的共模电流的高频成份，加剧辐射的共模发射。
而次级整流回路整流二极管在截止瞬间非常剧烈的电流变化，会在次级整流回路（因变压器漏感和二极管结电容存在的回路）中产生高频衰减振荡，加剧了对外的差模辐射。
4.2 由“环天线”引起的电磁辐射
开关电源工作时，由于有初级逆变回路和次级整流回路两个电流发生瞬变的环路存在，这样，变化的电流必然会伴生一个变化的磁场。而变化的磁场又要产生一个电场。这种电场和磁场变化将会交替地产生，由近及远、互相垂直、以光速在空间内传播能量的形式，形成了开关电源电磁辐射的发射。
图3是由初级逆变回路和次级整流回路中的差模电流所产生的辐射矢量示意图。
其磁场强度H可近似用以下方程计算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
电场强度E可近似用以下方程计算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁场强度，单位A/m
Eφ是电场强度，单位V/m；
I是环中的电流，单位A；
A是环路的面积，单位m2；
r是计算点与环中心的距离，单位m；
f是频率，单位Hz；
λ是频率所对应的波长；
θ计算点与环中心垂直轴的夹角。
以上各式适用于自由空间的小型天线，且天线周围没有任何反射物体。
在电场强度E的计算公式中，**项是自由空间的传输特性；**项是辐射源的特性；第三项是辐射源向远处传输时的电场衰减特性；*后一项是以辐射环平面中心垂直轴为参考，与测量天线方向的夹角。
由于大多数电子设备的辐射测量都不是在自由空间里进行，而是在地面开阔场上进行测量，地面的反射会使辐射发射的测量值增大，*大可达1倍。
考虑了地面反射的影响，则电场强度的*大发射表达式可改写为：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模发射的水平。
利用此式还可以知道，若想减小环路天线的向外辐射，应该从减小电流、减小环路面积和降低工作频率入手。
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。
2. 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。
在标准中，限值是以测试距离为10m给出的，但试验常常会在3m测量距离的实验室进行，这时要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 来修正。举例说， B 级设备在10m 处、在30 ～ 230 MHz 频段内的限值为30dBμV/m ，而在3m测量距离的限值应修正为40dBμV/m ；同样在230～1000MHz频段内应修正为47dBμV /m。
3. 测试辐射骚扰发射的试验配置
按照GB9254标准的要求，受试设备的辐射骚扰发射试验在电波暗室中进行（图1），基本的试验仪器是两件：接收天线和带有准峰值检波的干扰接收机。测试距离通常为3m。
4.开关电源的辐射骚扰抑制问题
开关电源的设计至今仍十分依赖实验室的工作，采取先搭板试验，再逐步调整的办法。随着产品复杂程度越来越高，使处理问题的难度也越来越大。*好的办法是，设计人员对线路的工作要有一个预判，在搭板的过程中把其中的电磁兼容问题考虑在印刷线路板的布局和布线当中，相信对加快开关电源的开发过程会起到一个事半功倍的效果。
通常印刷线路板（泛指所有电子设备的印刷线路板）自身的电磁兼容问题与线路板里的电磁干扰源、干扰耦合路径及受干扰的敏感部件有关系。
但是对开关电源这样设备的电磁兼容问题，就不止是一个自身的电磁兼容问题，还有向外的骚扰发射问题，当然还有一个外界的电磁骚扰对开关电源的干扰问题。这里着重讨论开关电源向外的骚扰发射问题，特别是辐射骚扰发射的问题。
我们知道，当传输线或印刷线路板里有射频电流通过时，该电流从电流发生电路流出，到达负载后，还要通过返回路径回到电流发生器，形成电流的闭合回路。电流在流过闭合回路时就会产生磁场。按照电磁场理论，伴随磁场产生的同时，又会产生一个辐射的电场。通过电场和磁场的交互作用就形成了射频辐射能量的产生与传播。这就是印刷线板引起辐射干扰的主要原因。
这样看来，消除印刷线路板中磁场的发生是消除电磁干扰源的主要手段，其中印刷线路板的布局和布线便成为印刷线路板设计的首要任务。在高频开关电源的设计时这个问题尤其突出，因为开关电源是功率电路，高频与大电流是开关电源产生电磁干扰的主要问题。
4.1 开关电源的辐射骚扰发生
图2 是介绍在《开关电源的传导骚扰抑制问题》时用于说明电源中电磁骚扰产生与耦合途径的示意图。
在开关电源工作时，初级逆变回路中的开关管Q处在高频通断状态，经由高频变压器T初级线圈、开关管Q和输入滤波电容C8形成了一个高频电流环路。这个环路的存在，就可能对空间形成电磁辐射。
开关电源在工作时，次级整流回路的D5也处于高频通断状态。由高频变压器次级线圈、整流二极管D5和滤波电容C9构成了高频开关电流的环路。由于有这个环路的存在，同样也有可能对空间形成电磁辐射。
另外，初级回路中变压器漏感的存在会加剧初级开关管电压波形的变化，进而影响开关电源经由开关管散热器向外传递的共模电流的高频成份，加剧辐射的共模发射。
而次级整流回路整流二极管在截止瞬间非常剧烈的电流变化，会在次级整流回路（因变压器漏感和二极管结电容存在的回路）中产生高频衰减振荡，加剧了对外的差模辐射。
4.2 由“环天线”引起的电磁辐射
开关电源工作时，由于有初级逆变回路和次级整流回路两个电流发生瞬变的环路存在，这样，变化的电流必然会伴生一个变化的磁场。而变化的磁场又要产生一个电场。这种电场和磁场变化将会交替地产生，由近及远、互相垂直、以光速在空间内传播能量的形式，形成了开关电源电磁辐射的发射。
图3是由初级逆变回路和次级整流回路中的差模电流所产生的辐射矢量示意图。
其磁场强度H可近似用以下方程计算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
电场强度E可近似用以下方程计算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁场强度，单位A/m
Eφ是电场强度，单位V/m；
I是环中的电流，单位A；
A是环路的面积，单位m2；
r是计算点与环中心的距离，单位m；
f是频率，单位Hz；
λ是频率所对应的波长；
θ计算点与环中心垂直轴的夹角。
以上各式适用于自由空间的小型天线，且天线周围没有任何反射物体。
在电场强度E的计算公式中，**项是自由空间的传输特性；**项是辐射源的特性；第三项是辐射源向远处传输时的电场衰减特性；*后一项是以辐射环平面中心垂直轴为参考，与测量天线方向的夹角。
由于大多数电子设备的辐射测量都不是在自由空间里进行，而是在地面开阔场上进行测量，地面的反射会使辐射发射的测量值增大，*大可达1倍。
考虑了地面反射的影响，则电场强度的*大发射表达式可改写为：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模发射的水平。
利用此式还可以知道，若想减小环路天线的向外辐射，应该从减小电流、减小环路面积和降低工作频率入手。
