开关电源电磁兼容设计要点分析

2021-04-09柳州汽车检测有限公司

电子世界 2021年8期

柳州汽车检测有限公司夏圣

电磁兼容设计是开关电源设计的重要内容，本文首先对开关电源电磁兼容的基本概念进行介绍，然后对开关电源电磁兼容的特点和来源进行了分析，接下来对开关电源的总体结构进行了设计，从不同的角度对开关电源的电磁兼容性设计要点进行了深入的研究。

受新技术的影响，开关电源近年正不断朝着高频化、微型化、高效化的方向延伸，这些结构的改变和技术的升级都使开关电源的电磁干扰问题变得更加严重。在这样的背景下，电磁兼容性设计对于开关电源的整体性能和产品竞争力有着十分关键的影响，电磁兼容设计已经成为开关电源设计的核心技术之一，受到了业内的广泛关注。

1 电磁兼容性的含义

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility， EMC）是指电子设备在工作期间互不干扰的一种电气性能指标，也就是说，电子设备自身要保持正常的工作状态，同时又不以牺牲周边电子设备的工作性能为代价。然而电子设备在工作期间总会通过各种方式产生相互的干扰，因而电磁兼容性设计的理念应运而生。每个电子产品都存在一定程度的电磁干扰，因此实际上我们周围的空间上充斥着复杂的电磁干扰。电磁干扰对于无线电通信的干扰尤为明显，因此对电磁兼容问题进行研究是十分必要的。

2 开关电源EMC的特点

在传统的变压变频技术中主要采用了笨重而低效的工频变压器，开关电源的出现可以说是电源设计领域的一次革命，它不仅体积小、结构紧凑，而且变压范围也得到了进一步的扩宽，效率也明显高于传统的电源产品。然而应该注意到的是，开关电源虽然体积更小了，但这对于电磁兼容设计而言却是一项挑战，因为更加有限的空间内要想减少电磁干扰变得更加困难了，在开关电源接通或断开的瞬间由于尖峰电压、漏感、分布电容的存在，会不可避免地带来谐波干扰，这不仅会对开关电源本身产生影响，也不利于周边电子设备的稳定工作。

3 开关电源电磁干扰的产生

3.1 外部环境的干扰

开关电源的正常工作会受到外部环境的影响，例如电网谐波、雷电、周边电子设备等等，这些外部环境对开关电源产生的影响是不相同的，但可以归为两类，分别是差模干扰和共模干扰。由于电路中的阻抗不对称，可能造成两种干扰信号在传输时以不同的分量同时出现并相互转换。雷击是一种常见的外部干扰源，雷电在电路中表现为一个很强的尖峰冲击电压，会造成电子设备的烧毁。无论是哪类外部干扰，都是可以通过一定的技术手段进行抑制的。

3.2 整流回路的干扰

在开关电源电路中，整流回路包括一次整流回路和二次整流回路，由于电路功能和结构的差异，这两种干扰的表现是不一样的。

在一次整流回路中，电网的交流电在整流之后被转换为单向的脉冲直流，如果对其进行频谱分析可以发现它包含一个基波和一系列倍频分量。这些倍频分量又称为高频谐波，会使电流波形出现畸变。在采用大电容进行滤波之后，这些谐波仍然是不能完全清除的。对于二次整流回路中的整流管通常是以高速通断状态进行工作的，不同的整流管之间会形成一个闭环，从而产生电磁辐射干扰。另外，二次整流回路中的一共关管由于存在一定的导通电阻和结电容，这些都会成为高频振荡的隐藏条件。

3.3 开关回路的干扰

开关电源内部集成一大量的开关管，实际上，开关电源对电能的转换功能正是通过大量开关管快速在通断状态之间切换来实现的，由于切换的频率非常高，因而会对外产生电磁干扰。另外，开关电源有时候也会受负载漏感的影响而在开关期间产生强烈的尖峰电压，该电压可能会恰好叠加在关断电压上，从而返回到电网中对整个电网产生干扰。

3.4 变压器的干扰

为了实现电能的转换，开关电源内部一般会集成高频变压器，该变压器不仅可以起到变压作用，还可以对输入回路和输出回路之间进行有效隔离。理想情况下，输入输出回路是互不干扰的，但实际变压器总会存在漏感，从而带来电磁感应噪声。另一方面，变压器绕组之间也存在一定程度的分布电容和漏感，这样就会使得产生的谐波由初级回路传递到次级回路，对电源的输出质量产生不良影响。

4 开关电源总体架构设计

在电子系统中，开关电源的作用主要就是把电网提供的交流电通过整流装置转换变为后级设备正常工作所需的直流电源。为了使输出的直流信号更加稳定，通常不会加入滤波环节和反馈环节。一个典型的开关电源主要包括：输入整流电路、输入滤波电路、逆变电路、控制电路、输出整流电路、输出滤波电路，以及其它辅助性的外围电路等等。

在开关电源的各部分电路中，输入整流电路的作用是将电网的交流电转换为直流电，其后一般紧跟一个滤波电路，可以使直流信号相对平滑一些。逆变电路的核心是一个高频变压器，可以把高压直流信号进行降压。控制电路通常是一个负反馈电路，它可以参考电路的各参数进行实时测量并与输入进行比较，不断对输入输出量进行调节，使输出端的电压和电流更加稳定。输出整流环节也可以将交流信号变换成直流信号，并进一步降低电压纹波，使输出尽量保持平稳。在以上电路中，逆变环节是控制环节是整个开关电源系统的核心功能部件。

5 开关电源的电磁兼容性设计要点

5.1 防雷电路设计要点

由于开关电源的工作对外部干扰十分敏感，而雷电又是最常见且危害最严重的外部电磁干扰形式之一，做好防雷设计可以提高开关电源的自我保护能力，因此防雷设计应重点考虑。雷电产生的浪涌电压经过低阻抗的整流滤波环节后，会造成整流二极管电流过大而烧坏，同时电压脉冲给滤波电容充电，超出其耐压范围而损坏。

根据这雷电的这一破坏原理，我们在进行开关电源的防雷设计时可以采用瞬变干扰吸收器，在输入电压大于设定范围时会自动限压，将多余的能源引导到其它电路中去。

常用的限压器件主要有气体放电管、压敏电阻、保险丝等等，它们的工作原理各不相同，但都可以起到电压限制作用，在不同的应用场合中，可以根据成本、性能、电路结构等因素进行综合设计。本文同时采用三种器件，当雷击浪涌电压进入开关电源输入级后，压敏电阻Rvz首先进入击穿区并转入低阻态，通过钳位将就将电压稳定在较小的范围，但电流会急剧增加，这时由气体放电管吸收并放电，使浪费电流返回至干扰源。如果以上功能失效，保险丝会由于高温熔断而切断电路，保护开关电源其它器件不受损坏。

5.2 滤波电路设计要点

由于开关电源的工作频率极高，因此需要高频方波信号作为驱动。众所周知，方波信号在频谱中包含了大量的高频谐波成分，这些高频谐波会传导至后级电路产生干扰，而一般是通常滤波环节的设计来解决该问题的。滤波环节不仅可以防止高频成分进入用电设备，还可以防止用电设备的谐波反向传输到电网。

考虑到开关电源的特点，其共模噪声通常有很大高的阻抗值，所以要通过一个大电容来进行滤波，但要求其阻抗不能太高。另一方面，开关电源的谐波成分一般其阻抗不会太高，因此只需要串联一个电感器即可起到较好的滤波效果，但要求电感的阻抗要尽量高一些。在实际设计过程中，充分考虑差模和共模成分的比例，根据具体情况选择参数，通过电路仿真进行调优，采用最佳的电路结构和电优阻抗参数。

5.3 软启动设计要点

传统的开关电源设计在启动时一般不做特殊处理，启动过程不受控制，也就是平时所讲的硬启动。但是硬启动由于会出现电流或电压尖峰，可能对器件造成损坏。因此采用软启动可以在一定程度上缓解以上问题，这也是电磁兼容设计的重要改进。

本文采用了比较常用的NE555继电器实现开关电源的软启动。该器件内部集成了一个高精度计时器，可以完成精确的计时任务，从而在所需的时间点准确完成动作的控制。该器件的工作电压范围在4.5V～18V均可，工作电流不能超过6mA，输出电平响应时间在100ns以内，可以较好地满足开关电源软启动的需求。继电器与一个电阻并联，避免冲击电流烧毁器件。在开关电源接通后，通过继电器开始计时，在0.2s～0.5s的时候再控制开关管导通，既不过度影响电路响应时间，又可以对冲击电流进行有效的缓冲，从而显著减少开关电源的启动阶段的电磁干扰。