工程师经验分享：开关电源的EMI设计

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工程师经验分享：开关电源的EMI设计

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4 Q" T' ]  i7 j! w1 K4 Z! J4 H+ {　       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。
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9 A, u' w1 Q. [" ]　　1.开关电源的EMI源
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2 f% W) A* }; l3 a6 v' R% o7 k　　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。

　　（1）功率开关管
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% `" p; n" l/ r) o# _9 S/ P4 j　　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。

　　（2）高频变压器
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　　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。
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1 l0 n) e; d' p+ U- Y3 p　　（3）整流二极管

3 G6 b9 b) f$ b2 @: I' \! |　　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。
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( g. L5 ]6 J3 K( F/ F, g　　（4）PCB

( a  w. k' K4 u- p. }　　准确的说，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。

2 X& Y; o, V: k/ i3 L6 ?) G　　2.开关电源EMI传输通道分类

( e* K- j9 e5 t. A% Y* |! q　　（一）传导干扰的传输通道
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) b1 b1 C: w- I! {2 B. C7 ~　　（1）容性耦合
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* ^1 f7 t/ C) h　　（2）感性耦合

　　（3）电阻耦合
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　　a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合

1 i( |6 l$ W9 ~: L% E　　b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合
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% ]8 f1 m# y, U4 }! `4 O' x  A　　c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合
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　　（二）辐射干扰的传输通道
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　　（1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；

6 i8 b- G- r. _( S( _　　（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；

% j% {/ S$ c6 T1 Q+ z　　（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。
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' I0 N, `# G+ F　　3.开关电源EMI抑制的9大措施
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　　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：
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4 j; G# U2 r& r% |　　（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；
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5 w# s# A/ F: n/ N! R8 ]+ D　　（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。

　　分开来讲，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 T% Z5 b6 O5 e6 E. }& M　　（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
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　　（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术

1 d9 {1 @) O; d$ \  [1 B8 Q6 \: g　　（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
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  C2 I4 Q2 L2 s; j1 ?　　（9）合理的PCB设计
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　　4.高频变压器漏感的控制
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　　高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。

　　减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！
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& L3 C2 Q5 j/ x1 {& `7 M　　（1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。
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　　（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。
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- L/ G4 |# X0 I8 A　　（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。

$ u0 C. g, {6 W( T, l, e　　5.高频变压器的屏蔽

6 E6 {8 m* p' z  i& q" V　　为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。

- X, Z/ t6 k# {( o3 T3 P$ }1 m0 K　　高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：
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4 U9 e. F+ Z+ w* u　　（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；

& A9 F) l2 ?$ m5 N　　（2）用“玻璃珠”（Glassbeads）胶合剂粘结磁心，效果更好。

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