浅析一款USB充电电源的EMC改善方法

管 丹 张芝岭 魏海锋

（公牛集团股份有限公司 慈溪 315314）

绪论

随着电磁时代的发展，电磁能的开发与运用，越来越多的电子设备被用于平时的生活与工业设计，如常见的家用转换器、无线通信、机型自动化等设备，虽为我们的生活带来便利与财富，但同时也使得电磁污染问题显现而出。

在一般家用电器设及中主要设计到的电磁兼容性问题主要包含传导干扰（CE）、辐射干扰（RE），以上两种均属于电磁干扰（EMI）。传导干扰因为干扰信号传输方式分为共模干扰（CMI）和差模干扰（DMI），共模干扰在传输过程中以两条导线做去线，地线做返回路线，其的高频辐射效应对电路造成严重影响，差模干扰以两更导线分别作为往返传导路线，影响于元件的工作状态；电路如图1、2 所示。

图1 共模干扰电路

对于电磁干扰，在电路设计中，可从其骚扰源、传输途径、敏感设备三个方面考虑。电磁骚扰产生设备或系统性能降低的电磁噪声、无用信号或使用媒介自身的变化，是电磁干扰的产生源。骚扰传输通道将干扰信号耦合传递到敏感设备，常见的传导干扰和辐射干扰其实就是电磁干扰的两种不同的耦合方式。传导耦合通过完整的传输通路将干扰信号从干扰源传递到敏感器件，此通路可包括电路中的导线、电阻等各种器件。辐射耦合的传播方式是以干扰源为中心，以电磁波的形式向空间发射。常见的辐射耦合方式有三种：甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受，称为天线对天线耦合；空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；两根平行导线之间的高频信号耦合，称为线对线的感应耦合[1]。敏感设备的电磁兼容性由电磁抗扰度表示，合理的电路结构设计、元件选取都能影响设备的EMS。

电磁兼容性除了上述说到的电磁干扰（EMI）还包括电磁耐受性（EMS），两者的区别在于EMI 是设备在运营过程中产生对于环境影响的骚扰现象，EMS 则是运行过程中对于环境中噪音污染的忍受能力。本文以一款30 W USB 充电电源为例重点对EMI 进行分析。

1 开关电源中的电磁干扰

1.1 开关电路的基本原理图

AC/DC 电路中，输入交流信号通过初次整流滤波电路从交流信号变为直流输入电压，滤波电路对于信号进行初次滤波，然后依次通过变压器、次级同步整流、次级滤波获得输出电压，RCD 高压吸收电路吸收开关通断产生的尖峰电压；反馈补偿电路获取电压输出端的电压值反馈给PWM IC 控制电路进行电压调节[3]。电路图如图3、4 所示。

图4 开关电路原理图

在开关电源内部，开关控制着输出端输出波形的调节作用，但是对于开关管的闭合或者断开操作都会导致电流与电压进行变化，产生干扰信号，以致开关电源在使用的过程中对环境中的设备造成电磁骚扰。

1.2 开关电源电磁干扰产生

1.2.1 整流电路的电磁干扰

电源电路中初次整流一般都是桥堆整流，当市电通过桥堆后，电压从交流电压转换成输入脉冲电压形成脉冲电流，将该电流按照傅里叶级数展开包含了基波直流分量、高次谐波，高次谐波产生传导干扰和辐射干扰，导致前端电源线上的电流波形产生突变。

1.2.2 高频变压器的电磁干扰

高频变压器在使用过程中也是形成电磁干扰的原因之一。变压器作为电压变换的器件使用过程中，其漏感会造成电压尖峰。当开关瞬间断开的时候，部分没有传到二次绕组的能量产生衰减振荡，此振荡叠加到关断电压上形成电压尖峰造成传导干扰。

1.2.3 整流二极管的电磁干扰

PWM IC 开关控制电路VCC 端的整流二极管在正向导通时电路会储存载流子，而加反向电压时，这部分载流子则会在反向电场的作用下被复合掉，产生恢复电流，恢复电流的急速衰弱形成尖峰电压。

2 电磁干扰的抑制及结果

对于尖峰电压的吸收设计中，我们钳位电路和RC吸收缓冲电路，本章设计的电路是以RC 吸收缓冲电路对于尖峰电压的缓冲作用。其常用于降低尖峰电压幅度和减小电压波形的变换率。

2.1 改善措施

2.1.1 滤波电路改善

根据1.2.1 要求，在设计中，滤波电路采用LC Π 型滤波电路抑制差模信号，使电流更平滑。本文设计的Π型电路作为低频滤波器，在高频中产生高阻抗，隔绝不必要的高频信号。此电路采用两个电容串联后并联电感。Π 滤波器各元件参数如下：

式中：

Fc—截止频率；

R—所选电阻阻值；

C—所选电容容值。

式中：

RId—标称特性阻抗；

R—所选电阻阻值；

C—所选电容容值。

式中：

C—等效电容容值；

Fc—截止频率；

RId—电阻特性阻值。

式中：

C—等效电容容值。

式中：

L—电感量；

RId—电阻特性阻值；

Fc—截止频率。

由于电路中差模信号和共模信号共存，因此在LC π型滤波电路的基础上添加色环电感L2 ，但其原理是将电能转换为磁能后重新转换为电能产生噪声或者辐射磁力，电感阻抗值相对磁珠较小；电流导通能力较弱，滤波不完全，存在尖峰电压，故采用将磁力封闭在磁环内，电流导通能力较强、将噪音（电信号）转换为热能的磁珠进行滤波。改善后电路原理图如图5 所示。

图5 滤波电路原理图

2.1.2 高频变压器的电磁干扰改善

根据1.2.2 要求，设计过程中采用RCD 吸收电路吸收变压器产生的电感信号和变压器外壳接入高压端，吸收电路采用耐压高的电容与电阻并联后串联负极。

跟据2.2.1 要求，将变压器接入高压端参考地；然因为高压端的输入信号和变压器自身的漏感、残留信号的衰减振荡信号产生对向冲突，使得吸收电路不能完全吸收，调整为变压器参考地接滤波电路电解电容EC2 接地端，减小噪音产生。

2.1.3 PWM IC 开关控制电路VCC 端的整流二极管改善

根据2.2.3 要求，对于PWM IC 开关控制电路VCC端的整流二极管并联电容串联电阻的低通滤波电路进行滤波。改善电路如图6 所示。

图6 PWM IC 开关控制电路改善电路

RC 低通滤波电路是将输出信号接在电容两端，其截止频率公式：

式中：

fc—截止频率；

R—所选电阻阻值；

C—所选电容容值。

RC 低通滤波电路通低频阻高频，当输入频率小于截止频率，输入信号与输出信号变化不大，在截止频率的时候，输出信号振幅下降到输入信号的70.7 % 。

RC 滤波电路作为常用的滤波电路是因为电容本身不仅存在电容量C，还有等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL、等效并联电阻EPR。C 和ESL形成串联谐振电路在阻抗上呈现容性特性和感性特性。在谐振频率之前呈现容性阻抗，过谐振之后，阻抗特性变为感性。利用谐振频率公式：

式中：

f—谐振频率；

C—等效电容量；

ESL—等效串联电感量。

可知，在谐振频率之前，随着频率的升高，阻抗逐渐下降；感性阻抗中，随着阻抗随着频率的增大而增大。

2.1.4 其他EMC 改善常用方法

EMC 抑制除了以上屏蔽方式避免产生干扰现象还应从电路布线规划情况减少被污染的可能。在电子设计时考虑电磁兼容性问题，减小寄生电容，可有效减小电磁干扰。高压吸收电路、高频变压器、PWM IC 开关控制电路作为EMC 产生的主要环路之一，在设计时减小环路的面积，减小PCB 的尖锐过度电路采用平滑电路过度可以从电源自身减小电磁干扰。共模扼流圈和Y 电容的使用也是常用的EMC 抑制的路径之一，在使用共模线圈时，确保充沛的电能的情况下采用匝数较少的线圈确保其产生的电感量噪声减少[2]。Y 电容连接在相线与地线之间使用时，连接在噪音较大的导线上减少共模干扰。

Y 电容在使用的过程中通常采用两个串联的方式减小容值增大耐压值。串联电路的容值计算公式如下：

式中：

C—串联等效电容值。

根据2.4.1 要求，用Y 电容链接高压端和低压端时串联在工字电感前端，利用电感通直流阻交流的特性减小辐射干扰。

2.2 传导改善效果

本文的30 W USB 充电电源原方案设计后，CE 在检测频段超出限制，其中14 MHz 时超出11 dB，通过改变Y 电容容值、变压器外壳接法后改善，测试频段中都有10 dB 的余量。改善效果如图7 所示。

图7 传导干扰改善效果图

2.3 辐射干扰改善结果

本文中的充电电源在初次检测，垂直辐射余量较大，水平辐射的在频段225.94 MHz 余量仅有1 dB，不符合开关电源测试要求，在增大Y 电容的容值改善传导干扰后，水平面的辐射干扰前移，在78.68 MHz 出超出QP 值0.38 dB。本文通过PWM IC 开关控制电路VCC 端的整流二极管并联RC 电路、增加吸收电容，滤波电路色环电感变更为电磁株，确保共模扼流圈电能的情况下减小匝数、Y 电容高压端参考地连接位置改善辐射干扰，最终改善为余量充足，为7.7 dB。垂直辐射改善前后效果如图8，水平辐射改善效果如图9。

此次EMC 测试及其改善中，垂直RE 前后变化不大，主要改善传导和水平辐射干扰。

3 结束语

本文解决一款30 W USB 充电电源设计过程中的EMC 问题，从整个电路入手，按照电路设计原理规划问题点并解决；针对电路管理，各元件解析，通过实验反复测试EMC 相关项测试项，验证措施的有效性，最终满足。总体来说，对于EMC 的研究还在不断地完善，还未有一套方案能完全改善，而是要理解产生电磁干扰的原因与产生源，根据不同的方案，采取不同的方案进行改善；同时在设计时应该考虑测试环境带来的差异，留够充足的余量。