开关电源高频电磁波干扰概论

第一篇：开关电源高频电磁波干扰概论

《开关电源高频电磁波干扰概论》解析

（一）虽然关于EMI的书和资料非常多，但基本都是针对设备级的，针对开关电源的很少，有个别书和资料虽然写着开关电源的名字，但由于作者并非电源设计人员，所以就变成了标准汇编。针对开关电源的目前就是这个《开关电源高频电磁波干扰概论》，非常经典，是香港大学的两位教授写的。但我也没有听过作者讲解，所以只能凭自己的理解和大家讨论。

第一节

这个是说EMI的传播过程，干扰源－干扰途径－接收器，就向传染病：传染源－传染途径－易感人群。

对于开关电源来说，最后一部分是不需要考虑的，干扰源也不能消灭，因为它也是开关电源之所以能工作的源头，但是可以通过软开关、加缓冲等方式来使干扰源的干扰小一些。控制干扰途径是降低开关电源EMI的重要一环，也是本讲义的重点讲解之处。

信号源波形产生的频谱

电压波形产生的频谱

周期信号的频谱是没有偶次谐波的，正负对称的波形产生的频率分量更少，像桥式电路。高数都忘光了，有兴趣的做一下FFT.占空比和波形斜率的影响 占空比越大时，干扰的幅度也大一些，这个可由FFT的系数算出来。

波形的斜率对干扰的高频部分影响非常大。低频部分几乎没有影响。低频部分主要由波形的幅度和高电平部分的宽度决定的，但高频部分大幅度下降的转折点为1/(3.14*tr),所以tr越大时，转折点的频率越低，高频下降越大。

所以我们应该想到降低斜率的措施，缓冲电路。

第一节小结：

电压和电流波形都有很丰富的频率成分 超过200M时由于幅值已经很低，所以影响很小 波形影响低频部分

上升沿和下降沿影响高频部分 占空比对个频谱幅值有一点影响

第2节：

下以部分13-42页，介绍的内容比较杂，有传导和辐射的场地、设备的放置，Log的概念等。

重点说一下这个图，这个介绍的是干扰的耦合途径，左边为传导干扰，右边为辐射干扰。辐射分为远场和近场。一般用蝶型天线辐射测量只测量电场，而不是磁场，磁场是用大圆环来测量的，灯具常用。

电场除了直接辐射到天线外，还可能辐射到地面再反射到天线，天线接受到的是直射波和反射波的矢量合成，所以需要上下移动寻找最大合成量。除此以外，由于电磁波有极化，所以天线需要改变方向以检测最大值（一般只测试水平和垂直）。

LISN网络。

LISN网络是用来拾取噪音的。差模噪音会在Line1--Line2之间流动，经过50欧姆电阻拾取。共模电流经过下面的地线再通过50欧姆的电阻回到电源，共模噪音也是经过50欧姆电阻拾取。50uH电感和10uF电容是用来阻止电网的干扰进入被测电源和防止被测的噪音跑到外面去。0.25uF的电容保证只有交流噪音信号可以流过去。在150KHz频率以上时其阻抗很小，近似短路。

线对线（差模）和线对地（共模）的噪音检测。

都是通过测量50欧姆电阻的电压信号来检测的，但仪器并不会区分差模和共模，实际为两个信号的矢量叠加（个人意见，仪器里面我不清楚）。

两种辐射测试：

场强辐射测试，通过组合天线来测量辐射的电场强度，蝶型天线（两个耳朵）测量30-300MHz，对数天线测量300-1GHz，对开关电源来说，主要是耳朵测量，300MHz以后一般电源辐射很小。

功率辐射测试（吸收钳），这个一般带长引线的设备需要做这个试验，如DVD等。

有效检测部分只有前面的一个环，后面是做吸收用的，范围30-300MHz。共模电流通过高频变压器后送到检测设备。

电流波形产生的频谱

第三节

下面几页说的是峰值、准峰值和平均值在仪器内部的测试方法，不是我们关心的重点。

从上面可以看出（看原文），3中检测主要是包络检波的冲放电时间常数不一样。标准要求测试的是QP和AV。但由于扫描时间过长，一般摸底是用PK和QP测量。

第四节

下面的内容主要是讲述容性和感性耦合的机理。首先开始的是容性耦合！

这个图告诉我们，在电源里面两个分离的物体是有电容效应的，当有交流信号时，就会有电流流过。

在电源里面相对并有电压变化的物体是很多的，如漏极和次级；漏极和初级的L，N线等，它们都会引起电流流动，被LISN检测到就是EMI干扰。仿真的结果和实际是基本上相符的。

看不见的耦合－感性耦合，第一个图描述了两个电路，前面是个振荡电路，后面就是上面容性耦合的电路，看似两个电路不相干，但是由于距离比较近，两个电路会通过磁场耦合，就向一个变压器一样，互感的公式如第二个图所示，随两个电路的距离增大而减小，随振荡电路面积（r为代表）的增大而增大。

第一幅图把上面的计算电感等效的变压器带入电路里面，第二幅图是测量和模拟的结果，可以看到互感的模型是很正确的，感性耦合确实向变压器一样。这样的耦合在开关电源里面比比皆是，向反激里面的高压电容、变压器初级和开关管组成的环路，变压器初级嵌位电路形成的环路，次级整流管形成的环路。除了常见的这3个外其实还有很多，如初级、次级和Y电容组成的环路，变压器初级、初级和屏蔽层的电容及屏蔽层的电感组成的环路等。

容性耦合的一个例子：

这个例子是说漏极和输入的接线端有一个耦合，尽管电容很小(0.1pF)，但由于漏极电压高，差模干扰还是会超过标准。

这个很容易理解。不再赘述。

容性耦合的另一个例子：

此处的例子是指漏极和地的电容，漏极虽然很小，但地很大，虽然传导并不要求屏蔽室，在实际的EMI测试中还是在一个屏蔽的屋子里面，这实际上加大了图中的Cs。同样由于电压高，假设Cs很小，实际测试的干扰（实际为共模）也会超标。

根据以上的分析得出减少容性耦合的一个方法，就是减小高压点的面积，从而减小电容。

中间的图由于高压部分的面积大而被认为Wrong。其实最右边的图也不是很好，最好往左边靠。

此处介绍的PCB的布线规则。线的面积尽量小，当然要满足电流的要求，平衡走线，这样两线对高压点的电容是平衡的，容性干扰会对消。输入部分尽量远离MOS的漏极。漏极的面积尽量小。

感性耦合的例子：

这个例子描述的噪音源的一端和输入的差模滤波的回路有一个耦合，尽管耦合电感很小，但由于噪音源电流大，并且差模滤波回路阻抗很小，所以干扰还是可能超标。

自感影响的例子，由于X电容本省有自感存在，当它滤除差模电流时本省的自感也产生干扰电压，引起差模电流流动，这就是非理想器件造成干扰的原因。

PCB布线规则，减小感性耦合，方法根容性耦合差不多，好的布线对两个方法都有用。好的布线：环路面积小，环路之间距离要远，节点端为容性端。

开关纹波电流的影响，开关电流会在其左边的电路部分的输入阻抗上形成电压，当然会有电流流过LISN的检测电阻，从而被测到EMI电流，由于是在两根线间流动的，所以是差模电流。这种电路的计算是很复杂的，还好有仿真电路，仿真一下很简单。不过我认为在实际应用中，仿真都不必做，我们只要理解其原理，知道怎么克服就可以了。

典型EMI差模滤波电路的参数和结果：右边蓝色的线为模拟的噪音结果，可以看到初始值很高。

理想C1没有ESR,ESL，从右边看到蓝色的线非常低，说明C1的ESR,ESL是主要产生干扰的源头，20多DB的起始值是电流在2pifc 上形成的电压造成的。

C2由于值很小，对低频段EMI的影响几乎可以忽略。

后面还有几个图，为节约时间和空间不上传，从图上可以得到的信息是由于C1的阻抗比起C2和L来说很低，所以干扰的源头就是开关电流在C1的ESL和ESR上形成的电压。后面不同的图只是为了证明这一点。

这一部分的总结：真实电路和理想电路是不同的，各种元件都有其等效的其他参数。大电解的ESR贡献了差模噪音的低频部分，ESL贡献了差模噪音的高频部分。结果很明显，高频电解的ESR,ESL比较低，有利于降低差模噪音！

如果一级滤波结果不好，自然想到两阶段滤波。

在实际的设计中，并不需要单独增加一个电感，可以利用共模(功率大的电源一般都要用）的漏感来做差模电感，这样只需要增加一个X电容就可以了。

不同的共模漏感是不一样的，如果用ET型的磁心，4槽骨架的比2槽的要大，漏感可以通过短路一组引线来测量。

第一个图是两阶段差模滤波考虑元件寄生参数的真实等效电路，第二个图是模拟的结果。可以看到两阶段滤波对干扰的衰减更厉害。原因是两阶段时干扰信号经过了两级LC，是80dB/10倍频程的衰减。

单独把这一页列出来，因为它告诉了我们一个很重要的技巧。

当把开关电源的频率设定到150KHz时，在150K的衰减时8dB；但是如果把开关频率设定到130K，则开关频率的干扰不需要测量，需要关注的是开关频率的二倍频，即260K，此时的衰减是很大的，从图上看到有30dB的裕量。

输入整流管的影响

整流管导通时，差模电流几乎无阻挡通过，整流管不导通时，按图上没有差模电流，但实际上整流管有电容存在，还是有一点点电流的，不过影响很小，可以忽略。

根据这个图我们也不难理解，在测量EMI时，低压时的EMI通常比高压时在低频段（差模为主）大一些。因为低压时整流管的导通时间长，当然导通时间长的原因是低压时的电流大。电流大也是造成EMI大的重要原因，这两者的共同作用造成了低压时的EMI大。

全导通和非全导通时的EMI差异。全导通是通过用直流电源给LISN供电来模拟的。从上面的描述可以看到，峰值和准峰值是没有变化的（由开关电流的峰值决定，两种情况此电流峰值没有变化），但平均值明显用整流桥的要低很多。

一个描述前半周，一个描述后半周。这个非常容易理解。

输入滤波对电源稳定性的影响

根据Middlebrook的额外元素理论，只要输入滤波的输出阻抗远小于电源的输入阻抗便不会有稳定性问题。输出阻抗远小于电源的输入阻抗的表现就是上述电路Pin部分 分得到最大化的Vin电压，根据这个要求列出上述方程，只要一阶部分的系数>1，就可以得到左半平面极点，就不会有稳定性问题。有一阶部分的系数>1的调节得到上述红色公式。

带一个实际的电源参数进去，发现RL3实际上要>10欧姆电路才能稳定，但实际的电感的内阻是很小的，由此得出结果几乎每一个电源都会振荡。但实际上并不是这样，说明理论有不对的地方。

这个是为了和后面做对应的，不作解释。看后面就可以了。

电感的频率特性，我们会看到在频率升高时磁心的损耗会反应为一个很大的电阻，正是它阻尼了振荡，当然趋附和临近效应反应的电阻和直流电阻也有影响，但不是主要因素。

补充一下，在实际的电源中C1都很大，很大的C1实际上降低了对RL3的要求，只要很小的RL3就可以了，实际不用考虑RL3,电容的ESR起到了RL3的作用。

当频率高时，用铁分心做电感时，由于损耗严重可能引起融化，这有点玄，但漆包线绝缘是有可能坏掉的。用铁氧体时由于损耗小，就没有这个问题。所以不要忘了ac电阻代表的磁心损耗，它可以阻尼电源的振荡。

由上面的分析我们就知道了为什么输入滤波通常不会引起电源振荡。

主要是第一点和第三点。滤波电感的磁心损耗提供了额外电阻；C1通常比较大。

补上忘掉的一部分：

普通的整流滤波只有在电压峰值时二极管才导通，此时二极管是完全导通的，所以差模和共模电流很容易通过整流管而被LISN检测到，而其他时间二极管不导通，差模电流是不能通过的，共模电流通过能力

也减弱，只有高频的部分才容易通过二极管的节电容通过。

由于二极管不导通时几乎没有干扰电流流过，所以用交流电源供电时测量到的平均值会比直流电源供电时低，因为直流供电时二极管是每时每刻导通的，干扰电流可以全通过。

由以前的帖子里描述的测量EMI的原理可知，峰值和准峰值是没有变化的。因为它们测的是瞬间(PK)和极短时间的平均值(QP)。

输入滤波电感同样也是一个噪音接收源：

电感的环路接受外部磁通（可能来自于你的变压器）会产生噪音电流。

同样电感的绕组是铜线做的，可以和电路里面的高压部分产生容性耦合，从而产生噪音电压。

这个是对上面所有部分的总结，就不再重复了。

第二篇：开关电源电磁干扰抑制技术

开关电源电磁干扰抑制技术

0 引言

随着现代电子技术和功率器件的发展，开关电源以其体积小，重量轻，高性能，高可靠性等特点被广泛应用于计算机及外围设备通信、自动控制、家用电器等领域，为人们的生产生活和社会的建设提供了很大帮助。但是，随着现代电子技术的快速发展，电子电气设备的广泛应用，处于同一工作环境的各种电子、电气设备的距离越来越近，电子电路工作的外部环境进一步恶化。由于开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率，导致开关电源产生较强的电磁干扰。电磁干扰信号不仅对电网造成污染，还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，造成电磁污染，制约着人们的生产和生活。国内在20世纪80一90年代，为了加强对当前国内电磁污染的治理，制定了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证(china compulsory certification)工作以来，掀起了“电磁兼容热”，近距离的电磁干扰研究与控制愈来愈引起电子研究人员们的关注，当前已成为当前研究领域的一个新热点。本文将针对开关电源电磁干扰的产生机理系统地论述相关的抑制技术。

l 开关电源电磁干扰的抑制 形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰应从这三方面人手。抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力，从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。1．1 采用滤波器抑制电磁干扰 滤波是抑制电磁干扰的重要方法，它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备，还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器，不但可以解决传导干扰问题，同时也是解决辐射干扰的重要武器。滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波2种方式。

1．1．1 无源滤波技术 无源滤波电路简单，成本低廉，工作性能可靠，是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是解决传导发射。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。

由于原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会产生脉冲尖峰电流，这个电流由非常多的高次谐波电流组成，对电网产生干扰；另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高，对周围电路会产生出不同频率的感应电流，其中包括差模和共模干扰信号，这些干扰信号可以通过2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号，又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律，得E=Ldi／dt，其中：E为L两端的电压降；L为电感量；di／dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小，则要求电感量就越大。脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号；开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场，电路会产生位移电流，而这个位移电流也属于共模干扰信号。图1中共模滤波器就是用来抑制共模干扰，使之受到衰减。1．1．2 有源滤波技术

有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。该方法从噪声源出发而采取的措施(如图2所示)，其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号，以达到降低干扰水平的目的。如图2所示，利用晶体管的电流放大作用，通过把发射极的电流折合到基极，在基极回路来滤波。R1，C2组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极的纹波也很小。由于C2的容量小于C3，减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。另外，在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装位置要恰当，安装方法要正确，才能对干扰起到预期的滤波作用。1．2 屏蔽技术和接地技术 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。屏蔽一般分为2种：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使电磁波产生衰减。此外，为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散，为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响，应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入／输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露，且不易散热，结构成本大幅度增加等因素。为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽效果，同时保障人身和设备的安全，应将系统与大地相连，即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题，又可提高电子产品的抗干扰能力。1．3 PCB设计技术 为更好地抑制开关电源的电磁干扰，其印制电路板(PCB)的抗干扰技术尤为重要。为减少PCB的电磁辐射和PCB上电路间的串扰，要非常注意PCB布局、布线和接地。如减少辐射干扰是减小通路面积，减小干扰源和敏感电路的环路面积，采用静电屏蔽。而抑制电场与磁场的耦合，应尽量增大线间距离。在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3种基本类型。地线设计应注意以下几点：交流电源地与直流电源地分开；功率地与弱电地分开；模拟电路与数字电路的电源地分开；尽量加粗地线。1．4 扩频调制技术 对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于n次谐波的带宽是基频带宽的n倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。要在开关电源中采用扩频时钟信号，需要对该电源开关脉冲控制电路输出的脉冲信号进行调制，形成扩频时钟(如图3所示)。与传统的方法相比，采用扩频技术优化开关电源EMI既高效又可靠，无需增加体积庞大的滤波器件和繁琐的屏蔽处理，也不会对电源的效率带来任何负面影响。

1．5 一次整流电路中加功率因数校正(PFC)网络 对于直流稳压电源，电网电压通过变压器降压后直接通过整流电路进行整流，所以整流过程中产生的谐波分量作为干扰直接影响交流电网的波形，使波形畸变，功率因数偏低。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，将功率因数校正(PFC)技术应用于开关电源中是非常必要的。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波，从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，提高了开关电源的功率因数。其中无源功率因数校正电路是利用电感和电容等元件组成滤波器，将输入电流波形进行移相和整形过程来实现提高功率因数的。而有源功率因数校正电路是依据控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形的原理来实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。两种方法均使功率因数提高，后者效果更加明显，但电路复杂。结语 本文的设计方法正确，仿真结果正常，克服了传统方案中所存在的一些问题，使电磁干扰的抑制技术得到进一步优化。从开关电源电磁干扰产生的机理来看，有多种方式可抑制电磁干扰，除本文中分析的几种主要方法外，还可以采用光电隔离器、LSA系列浪涌吸收器、软开关技术等。抑制开关电源的电磁干扰，目的是使其能在各领域得到有效应用的同时，尽量减少电磁污染，实现了对电磁污染问题的有效治理。而在实际设计时，应全面考虑开关电源的各种电磁干扰，选用多种抑制电磁干扰的方法加以综合利用，使电磁干扰降到最低，从而提高电子产品的质量与可靠性。

第三篇：解析几种有效开关电源电磁干扰抑制

解析几种有效开关电源电磁干扰抑制

前关于开关电源EMI（Electromagnetic Interference）的研究，有些从EMI产生的机理出发，有些 从EMI 产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关 电源EMI 的抑制措施提出新的参考建议。

◆ 开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可 分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明：

1、二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时, 由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

2、开关管工作时产生的谐波干扰

功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在 阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐 波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生 尖峰干扰。

3、交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称 之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这 种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

4、其他原因

元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布 置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

◆ 开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

◆ EMI测试技术

目前诊断差模共模干扰的三种方法：射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构比较简单，测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制造要求很高。

◆ 目前抑制干扰的几种措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上 都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如,功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过 器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射,电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可

以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样 使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连.在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现“一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅 值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施,可以滤除多种原因产生的传导干扰。一种由电容、电感组成的EMI滤波器,接在开关电源的输入端。电路中,C1、C5是高频旁路电容,用于滤除两输入电源线间的差模干扰;L1与C2、C4;L2与C3、C4组成共模干扰滤波环节,用于滤除电源线与地之间非对称的共模干扰;L3、L4的初次级匝数相等、极性相反,交流电流在磁芯中产生的磁通相反,因而可有效地抑制共模干扰。测试表明,只要适当选择元器件的参数,便可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。

◆ 目前开关电源EMI抑制措施的不足之处 现有的抑制措施大多从消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径出发，这确是抑制干扰的一种行之有效的办法，但很少有人涉及直接控制干扰源,消除干扰，或提高受扰设备的抗扰能力，殊不知后者还有许多发展的空间。

◆ 改进措施的建议

我认为目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰，已渐进成熟。我们的视点要回到开关电源器件本身来。从多年的工作实践来看，在电路方面要注意以下几点：

(1)印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开,电源和地线单独引出,电源供给处汇集到一点;ＰＣＢ布线时,高频数字信号线要用短线,主要信号线最好集中在ＰＣＢ板中心,同时电 源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次，可以根据耦合系数来布线，尽量减少干扰耦合。

(2)印制板的电源线和地线印制条尽可能宽,以减小线阻抗,从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。

(3)器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度,以减小元件分布电感的影响。

(4)在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容,以缩短开关电流的流通途径,如用10μＦ铝电解和0 1μＦ电容并联接在电源脚上。对于高速数字ＩＣ的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容,因为钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种噪声 才会使开关电源得到更广泛的应用。

第四篇：开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析

开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析（开关电源的电磁干扰问题主要立括传导发射(conducted emission)干扰和辐射发时(radiated emission)干扰，电磁兼容中所谓的发射，是指“从源向外发出电磁能的现象”，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，开关电源中的发射常常是无意的，如果不加以控制，就会对周围的电子设备产生严重的干扰。随着开关电源的小型化、高频和高功率设计，闭合印制线回路引起的辐射干扰(差模干扰)己成为开关电源的主要辐射干扰源之一，研究闭合印制线回路的辐射规律对减小开关电源的辐射干扰有着重要的意义。

2、建立差模电流的辐射模型：

开关电源利用半导体器件的开和关工作，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低，由于其通常工作在20KHz以上的开关频率工作，开关电源内的dv／dt、di／dt很大，产生严重的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。图1是典型的开关电源的简图和产生噪声的回路，含有大量高次谐波的噪声通过闭台回路向空间辐射电磁能量，即差模电流的辐对干扰。通常的闭合环形回路的形状都是不规则的，这里我们只讨论一般的模型，如图2所示。

这是一种带有接地平面的正方形的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻、负载，当电压信号的频率较高时，这种结构与方环形天线是非常相似的，成为一种严重的辐射源。

3、数值模拟：

对于建立好的模型．可以通过电磁场的数值模拟软件来对其辐射特性进行分析。在这里我们使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)来进行模拟。首先来研究这种闭合印制线回路的面积发生变化时其辐射特性如何发生变化。当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，在距离辐射回路为的远场的电场强度为E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）为回路中电流信号的频率，S(m2)为回路面积，1(A)为电流强度，θ（0）为测量天线与辐射平面的夹角。我们根据图1所示的结构，取正方形闭合回路的边长分别为3cm、4cm、5cm、6cm和7cm进行模拟，信号频率为500MHz。图3(a)和图4分别为模拟得到的差模电流辐射的远场三维方向图(由于闭合回路的边长变化时其远场方向图是非常相似的，此处只给出边长为5cm时的方向图）和S-E曲线，从中可以很明显出由于印制线路板接地平面的存在使得差模辐射功率主要集中在接地平面上方，同时，远区辐射场的电场强度与回路面积呈线性变化关系(本文中的电场强度均指在闭合印制线回路最大辐射方向上的电场强度)，这与式(1)是完全符合的。

4、结果分析：

闭合印制线回路的面积越大，差模电流所产生的辐射干扰就越严重。但是同样面积的闭合印制线回路，如果回路形状发生变化，不再是正方形结构，其产生的辐射干扰效果一样会随着变化，甚至产生相当大的差异。图5显示了当闭合印制线回路的面积保持25cm2不变时，矩形印制线回路源与终端所在的边分别为2cm、3cm、4cm和5cm时差模电流所产生的辐射干扰效果，且在频率为500MHz、1GHz和1．5GHz时分别进行考虑。显然，频率增高，相同结构的闭合印制线回路产生的辐射干扰跟着增强，并且随着频率增高差模电流的辐射能量逐渐向印制线路板的正面“转移”，如图3所示，这是因为频率的增高使得接地平面相对于差模电流信号的电尺寸变大，从而对闭合印制线回路的辐射场产生更大的反射效果。更为重要的是，随着闭合印制线回路由正方形逐渐变化为越来越狭长的矩形，差模电流所产生的辐射干扰显著减小。也就是说，即使闭合印制线回路的面积相同。适当地改变其形状，使之越来越狭长，同样可以减小相同强度的差模电流的辐射干扰。

闭合印制线回路上流过的差模电流产生的辐射干扰在各个极化方向上的分布是不同的。图6是矩形印制线回路的源和终端所在的边为3(回路面积为25)时频率为1．5GHz差模电流的辐射干扰在X、Y、Z方向上的极化分量的三维方向图，从图中可以看到，X和Z方向上的极化分量主要集中于印制板正面的X轴的两侧，而Y方向上的极化分量主要集中于印制板的正上方区域，并且沿Y方向的极化分量最大，分别为X、Y方向极化分量的两倍左右，对于源和终端所在边为2cm、4cm和5cm时的闭合回路也是如此。

根据印制线路板上差模电流的辐射特性，开关电源设计人员在进行印制线路板和机箱内部结构设计的时候可以从以下几个方面来考虑：

1．通过改变闭合印制线回路的形状，使之尽量狭长。可以有效的减小差模电流的辐射干扰水平。

2．根据差模电流在各个极化方向上的辐射水平的不同，尽量使临近印制板上的印制线或元器件在较大辐射水平的极化方向上有最小的电长度，这样可以保证它们耦合到较少的电磁能量。

3．在对机箱内部的电缆进行布线设计时，确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的电长度最小，从而使电缆耦合到的电磁能量最小。

4．确定得到最小的机箱对外辐射效果的通风窗或者是观察窗的位置和结构。通风窗或观察窗应尽可能的安装在辐射水平较低的位置，如果通风窗或观察窗是由矩形孔构成的，还应该考虑辐射场在窗口位置的各个方向的极化水平，尽量使矩形孔的长边不在辐射水平最大的极化方向上，以便使从机箱辐射出去的电磁能量最小。

对以上几点进行考虑的时候还要综合其它结构的干扰源的辐射效果，比如继电器、散热器和电缆产生的辐射干扰，而这些都是可以通过数值或者是解析的方法得到的。

5、结论：

从对开关电源差模电流的辐射干扰进行电磁场数值模拟的结果可以看出，差模电流的辐射干扰随着闭合回路的面积增加而增强，并呈线性变化，频率的增高也使差模电流的辐射能量更集中于接地平面的上方。更为重要的是，相同面积的闭合回路，回路的形状越来越狭长，差模电流引起的辐射干扰就越来越小。同时，差模电流的辐射干扰在各个极化方向上有不同的分布。这些差模电流的辐射特性可以作为进行开关电源印制线路板设计和机箱内部的电磁兼容性设计的依据。

第五篇：开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析概要

开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析

l、引言：

这是一种带有接地平面的正方形的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻、负载，当电压信号的频率较高时，这种结构与方环形天线是非常相似的，成为一·种严重的辐射源。

3、数值模拟： 对于建立好的模型．可以通过电磁场的数值模拟软件来对其辐射特性进行分析。在这里我们使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)来进行模拟。首先来研究这种闭合印制线回路的面积发生变化时其辐射特性如何发生变化。当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，在距离辐射回路为的远场的电场强度为E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）为回路中电流信号的频率，S(m2)为回路面积，1(A)为电流强度，θ（0）为测量天线与辐射平面的夹角。我们根据图1所示的结构，取正方形闭合回路的边长分别为3cm、4cm、5cm、6cm和7cm进行模拟，信号频率为500MHz。图3(a)和图4分别为模拟得到的差模电流辐射的远场三维方向图(由于闭合回路的边长变化时其远场方向图是非常相似的，此处只给出边长为5cm时的方向图）和S-E曲线，从中可以很明显出由于印制线路板接地平面的存在使得差模辐射功率主要集中在接地平面上方，同时，远区辐射场的电场强度与回路面积呈线性变化关系(本文中的电场强度均指在闭合印制线回路最大辐射方向上的电场强度)，这与式(1)是完全符合的。

4、结果分析：

闭合印制线回路的面积越大，差模电流所产生的辐射干扰就越严重。但是同样面积的闭合印制线回路，如果回路形状发生变化，不再是正方形结构，其产生的辐射干扰效果一样会随着变化，甚至产生相当大的差异。图5显示了当闭合印制线回路的面积保持25cm2不变时，矩形印制线回路源与终端所在的边分别为2cm、3cm、4cm和5cm时差模电流所产生的辐射干扰效果，且在频率为500MHz、1GHz和1．5GHz时分别进行考虑。显然，频率增高，相同结构的闭合印制线回路产生的辐射干扰跟着增强，并且随着频率增高差模电流的辐射能量逐渐向印制线路板的正面转移，如图3所示，这是因为频率的增高使得接地平面相对于差模电流信号的电尺寸变大，从而对闭合印制线回路的辐射场产生更大的反射效果。更为重要的是，随着闭合印制线回路由正方形逐渐变化为越来越狭长的矩形，差模电流所产生的辐射干扰显著减小。也就是说，即使闭合印制线回路的面积相同。适当地改变其形状，使之越来越狭长，同样可以减小相同强度的差模电流的辐射干扰。

闭合印制线回路上流过的差模电流产生的辐射干扰在各个极化方向上的分布是不同的。图6是矩形印制线回路的源和终端所在的边为3(回路面积为25)时频率为1．5GHz差模电流的辐射干扰在X、Y、Z方向上的极化分量的三维方向图，从图中可以看到，X和Z方向上的极化分量主要集中于印制板正面的X轴的两侧，而Y方向上的极化分量主要集中于印制板的正上方区域，并且沿Y方向的极化分量最大，分别为X、Y方向极化分量的两倍左右，对于源和终端所在边为2cm、4cm和5cm时的闭合回路也是如此。

根据印制线路板上差模电流的辐射特性，>http://www.xiexiebang.com/bbs/index.asp?boardid=10>开关电源设计人员在进行印制线路板和机箱内部结构设计的时候可以从以下几个方面来考虑： 1．通过改变闭合印制线回路的形状，使之尽量狭长。可以有效的减小差模电流的辐射干扰水平。

2．根据差模电流在各个极化方向上的辐射水平的不同，尽量使临近印制板上的印制线或元器件在较大辐射水平的极化方向上有最小的电长度，这样可以保证它们耦合到较少的电磁能量。3．在对机箱内部的电缆进行布线设计时，确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的电长度最小，从而使电缆耦合到的电磁能量最小。

4．确定得到最小的机箱对外辐射效果的通风窗或者是观察窗的位置和结构。通风窗或观察窗应尽可能的安装在辐射水平较低的位置，如果通风窗或观察窗是由矩形孔构成的，还应该考虑辐射场在窗口位置的各个方向的极化水平，尽量使矩形孔的长边不在辐射水平最大的极化方向上，以便使从机箱辐射出去的电磁能量最小。

对以上几点进行考虑的时候还要综合其它结构的干扰源的辐射效果，比如继电器、散热器和电缆产生的辐射干扰，而这些都是可以通过数值或者是解析的方法得到的。

5、结论：

从对>http://www.xiexiebang.com/bbs/index.asp?boardid=10>开关电源差模电流的辐射干扰进行电磁场数值模拟的结果可以看出，差模电流的辐射干扰随着闭合回路的面积增加而增强，并呈线性变化，频率的增高也使差模电流的辐射能量更集中于接地平面的上方。更为重要的是，相同面积的闭合回路，回路的形状越来越狭长，差模电流引起的辐射干扰就越来越小。同时，差模电流的辐射干扰在各个极化方向上有不同的分布。这些差模电流的辐射特性可以作为进行>http://www.xiexiebang.com/bbs/index.asp?boardid=10>开关电源印制线路板设计和机箱内部的电磁兼容性设计的依据。