中心議題：
- 小功率反激電源EMI抑制方法
解決方案：
- 優(yōu)化輸入與輸出濾波網(wǎng)絡設計
- 優(yōu)化地線設計
- 盡量縮小高頻環(huán)路面積
- 屏蔽和磁珠的應用
小功率反激電源作為市場上最為成熟的電源之一，在電力電子行業(yè)占據(jù)相當大的比重。目前介紹開關電源電磁兼容的文章很多，不過考慮到市場化，小功率反激電源只用一級EMI濾波，無散熱片，還有很重要的一點，要考慮可生產性。這與單純的電磁兼容研究有很大區(qū)別，本文將從工程和生產的角度出發(fā)來闡述小功率反激電源EMI抑制方法。
1 抑制措施
電磁干擾(Electro Magnetic Interference)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合到另一個電網(wǎng)絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網(wǎng)絡。差模干擾和共模干擾是主要的傳導干擾形態(tài)，而功率變換器的傳導干擾以共模干擾為主。差模噪聲主要由大的di/dt與雜散電容引起;共模噪聲則主要由較高的dv/dt與雜散電感相互作用而產生的高頻振蕩引起。
形成電磁干擾的條件有三：A：向外發(fā)送電磁干擾的源—噪聲源 B：傳遞電磁干擾的途徑—噪聲耦合和輻射 C：承受電磁干擾(對噪聲敏感)的客體—受擾設備
1.1 EMI濾波器的選擇選用
圖1是開關電源常用的一級EMI 濾波器的電路。圖中的L1為共模扼流圈，Cx、CY1、CY2為安規(guī)電容，對于小型開關電源來講，由于體積的限制，很多時候會將CY1、CY2會省略掉的，甚至連L1也會省去。圖中 共模扼流圈L1的兩個線圈匝數(shù)相等，方向相同，這兩個電感對于差模電流和主電流所產生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用;而對于共模干擾信號，兩線圈產生的磁通方向相同，有相互加強的作用，每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍，從而得到一個高阻抗，起到良好的抑制作用。共模電感兩邊感量不相等形成的差模電感L2一起與Cx電容組成一個低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號。CY1與CY2的存在是給共模噪聲提供旁路，同時與共模電感一起，組成LC低通濾波器。共模噪聲的衰減在低頻時主要由電感起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。同時，在安裝與布線時應當注意:濾波器應盡量靠近設備入口處安裝, 并且濾波器的輸入和輸出線必須分開，防止輸入端與輸出端線路相互耦合，降低濾波特性。濾波器中電容器導線應盡量短，以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振。
圖1 一級EMI 濾波器電路。
濾波器的抑制作用是用插入損耗來度量的。插入損耗A用分貝(dB)表示，分貝值愈大， 說明抑制噪聲干擾的能力愈強,如式(1)所示：
工程設計時通過測量計算出需要設定的插入損耗值，得出轉折頻率點，然后根據(jù)轉折頻率設計電感電容參數(shù)，如式(2)：
（2）
不過注意，不是所有的濾波器都能使電磁干擾減小，有的還會更嚴重。因為濾波器會產生諧振,從而產生插入增益。插入增益不僅不會使干擾減小,而且還使干擾增強。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負載阻抗相差很大時，插入增益的頻率在濾波器的截止頻率附近。解決插入增益的方法：一個是將諧振頻率移動到?jīng)]有干擾的頻率上，另一個使增加濾波器的電阻性損耗(降低Q值)。比如在差模電感上并聯(lián)電阻,或在差模電容上串聯(lián)電阻。
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1.2 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡設計的優(yōu)化
輸入與輸出濾波網(wǎng)絡主要實現(xiàn)兩個功能，第一是能量存儲與轉換，第二是減小高頻諧波與共模干擾。 實際電路等效為電容、等效電感、等效電阻的串聯(lián)。在高頻情況下，大電容的等效寄生參數(shù)起主要作用，無法給高頻傳導噪聲提供有效衰減。這時候可以選擇 型濾波，將一個大電容和一個小電容并聯(lián)起來使用，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻干擾。不過，將大容量電容和小容量電容并聯(lián)起來的方法，會在某個頻率上出現(xiàn)旁路效果很差的現(xiàn)象。這是因為在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現(xiàn)電感特性(阻抗隨頻率升高增加)，小電容呈現(xiàn)電容特性,實際是一個LC并聯(lián)網(wǎng)絡，這個LC并聯(lián)網(wǎng)絡在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導致其阻抗最大，這時電容并聯(lián)網(wǎng)絡實際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強的干擾，就會出現(xiàn)干擾問題。
1.3 緩沖電路的應用
開關電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。輸入電流中的高次諧波在電路中采用共模扼流圈來抑制，而對于尖峰干擾，除了在源頭上減小漏感，選擇快恢復二極管來減小尖峰外，最常見的就是開關管加RCD箝位電路與輸出二極管加RC吸收電路。RCD箝位電路用于抑止由于變壓器初級漏感在開關管關斷過程中產生的電壓尖峰。RC吸收電路用于抑制二極管關斷時變壓器次級漏感與二極管反向恢復引起的電壓尖峰。不過這些緩沖電路是通過消耗功率來達到抑制目的，因此需要根據(jù)實際需求選擇使用。
1.4 盡量縮小高頻環(huán)路面積
一般小功率反激電源有四部分需要注意環(huán)路面積：
A：初級開關環(huán)路(MOS管，變壓器，輸入電容)
B：次級開關環(huán)路(變壓器，輸出二極管，輸出電容)
C：RCD環(huán)路(R，C，D，MOS管，變壓器)
D：輔助電源環(huán)路(變壓器，二極管，電容)
因為差模電流流過導線環(huán)路時，將引起差模輻射如式(3)表示：
同時，由于接地電路中存在電壓降，某些部位具有高電位的共模電壓，當外接電纜與這些部位連接時，就會在共模電壓激勵下產生共模電流，從而產生共模輻射干擾如式(4)表示：
所以，在高頻環(huán)路上，在滿足可靠性的情況下，高頻電流回路越小越好，以減小引起差模輻射的環(huán)路面積。并且環(huán)路的導線應當盡量地短，以減小引起共模輻射的環(huán)路導線長度。
1.5 優(yōu)化地線設計
由于地線存在阻抗，地線電流流過地線時,就會在地線上產生電壓。細而長的導線呈現(xiàn)高電感,如式(5)，其阻抗隨頻率的增加而增加：
在設計小功率電源電路時,往往運用單點接地與浮地，將地線作為所有電路的公共地線,因此地線上的電流成份很多,電壓也很雜亂，這時候就需要注意相對減小高頻回路地線的長度，以減小共模噪聲。
1.6 屏蔽的應用
在小功率反激電源中，變壓器是一個很大的噪聲源。它作為噪聲產生源：
A：功率變壓器原次邊存在的漏感，漏電感將產生電磁輻射干擾。
B：功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場，產生輻射干擾。
C：變壓器漏感的存在使得在開關管開關瞬間，形成電壓尖峰，產生電磁干擾。
作為傳播途徑：隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次邊。 對于變壓器的漏感，可以通過三明治繞法等改變工藝結構改善，也可以通過改變變壓器性能設計來減小，對于變壓器繞組的分布電容可以通過改進繞制工藝和結構、增加繞組之間的絕緣、采用屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。從工程角度來說，特別是對于某些已經(jīng)面世而為了提高市場競爭力選擇提高EMI要求作為突破口的產品來說，改變變壓器性能設計肯定影響重大，而改變工藝結構也影響到生產甚至性能。屏蔽是生產延續(xù)性最好與總體影響性最小的一種方法。
屏蔽對于干擾的抑制作用用屏蔽效能來衡量，屏蔽效能A主要由吸收損耗與反射損耗來表示，總損耗越大，屏蔽體對電磁干擾的抑制能力越強，如式(6)表示。
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從吸收損耗的公式可以得出以下結論：
屏蔽材料越厚，吸收損耗越大;屏蔽材料的磁導率越高，吸收損耗越大;屏蔽材料的電導率越高，吸收損耗越大;被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。
干擾源為電場輻射源時反射損耗，如式(7)：(近場波，高阻抗場)
干擾源為磁場輻射源時反射損耗，如式(8)：(近場波，低阻抗場)
干擾源為電場源或者磁場源時反射損耗，如式(9)：(遠場波)
從反射損耗的公式可以得出以下結論：
屏蔽材料的磁導率越低，吸收損耗越大;屏蔽材料的電導率越高，吸收損耗越大。
從以上我們可以得出結論：
A：低頻：吸收損耗很小，屏蔽效能主要決于反射損耗。而反射損耗與電磁波的性質關系很大，電場波的屏蔽效能遠高于磁場波。
B：高頻：隨著頻率升高，電場波的反射損耗降低，磁場波的反射損耗增加，吸收損耗增加，當頻率高到一定程度時，屏蔽效能主要由吸收損耗決定。
C：距離的影響：距離電場源越近，則反射損耗越大。對于磁場源，則正好相反。要獲得盡量高的屏蔽效能，屏蔽體應盡量靠近電場輻射源，盡量遠離磁場輻射源。
1.7 磁珠的應用
磁珠由鐵氧體組成，它把交流信號轉化為熱能，當導線中流過電流時，它對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，但對高頻電流會有較大的衰減作用。磁珠抑制能力與它的長度成比例。不過磁珠的運用會提高產品溫升，同時降低產品的可生產性，對于高功率密度的小功率電源來說，盡量避免使用。
1.8 減緩驅動
增大MOS管驅動電阻，使得MOS管的開通時間與關斷時間增加，使dv/dt值變小。不過這種方式會增加開關管的開關損耗，只有在沒有其他有效解決辦法時推薦使用。比如MORNSUN公司的LH15XX某型號，在確定不能更改變壓器結構與PCB布局情況下，只有增大驅動電阻，犧牲少許的效率來換取輻射干擾達到EN55022 CLASS B指標。
2 案例
圖2
圖2是采用無錫硅動力(Si-power)SP56XX系列芯片(含抖頻，降頻和跳頻技術)做的小功率模塊電源產品(37*23*15mm)，功率為5W，開關頻率65KHz,通過精心的設計，在沒有圖1中輸入EMI濾波電路和無Y電容的情況下，使產品的傳導和輻射指標分別滿足class A級和B級的要求，并能滿足最新的能源之星V的標準，圖3、圖4是該產品的EMI測試圖(產品通過了UL/CE認證)。由于電路簡單，元件少，該系列電源在批量生產時不良率僅為50PPM。
圖3 傳導干擾 圖4 輻射干擾
3 結論
高功率密度是電源發(fā)展的一個方向，小功率反激電源也一樣。不過由于小功率電源要求體積小，成本低，它的EMI設計受到體積、熱設計和易生產性等方面的影響，可以發(fā)揮的空間已經(jīng)很小。需要設計人員從開始階段就要注意PCB布局，注重電源的結構設計與輸入輸出濾波網(wǎng)絡設計，優(yōu)化變壓器設計，設計中期通過更改輸入EMI濾波器參數(shù)進行現(xiàn)場調試，調試沒有效果的情況下通過增加磁珠，改變驅動等犧牲其他性能的方式達到傳導和輻射指標。
