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                            文章詳情
                        
        
                        
        
                            
        
                                
                            
        
                            
        
    
        
    
        
        
        
    
        開關(guān)電源中的電磁兼容問題難點(diǎn)（二）
        
    
        
        
        
            
        日期：2025-06-21 05:40
        
            
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            摘要：4.3 通過減小環(huán)路面積來減小開關(guān)電源的輻射噪聲

 

          在上述對輻射有影響的三個(gè)參數(shù)中，I 和f 涉及基本電路的設(shè)計(jì)，不能輕易改變。所以**能有效抑制輻射，而且能為設(shè)計(jì)人員自如掌控的也只有減小環(huán)路面積A這一參數(shù)了。對照圖2，盡可能地減小環(huán)路面積是減小輻射噪聲的重要途徑，為此，要求開關(guān)電源的印刷線路板的布局和布線中，元器件的排列彼此要緊密，布線中的電流線和它的回線要彼此靠近。在初級回路中，要求輸入電容器、晶體管和變壓器應(yīng)該被此靠近。在次級回路中，要求二極管與變壓器和輸出電容被此貼近。圖4是一個(gè)初級回路布...
        
        
    
        
    
        
        4.3 通過減小環(huán)路面積來減小開關(guān)電源的輻射噪聲
        

        
         在上述對輻射有影響的三個(gè)參數(shù)中，I 和f 涉及基本電路的設(shè)計(jì)，不能輕易改變。所以**能有效抑制輻射，而且能為設(shè)計(jì)人員自如掌控的也只有減小環(huán)路面積A這一參數(shù)了。對照圖2，盡可能地減小環(huán)路面積是減小輻射噪聲的重要途徑，為此，要求開關(guān)電源的印刷線路板的布局和布線中，元器件的排列彼此要緊密，布線中的電流線和它的回線要彼此靠近。在初級回路中，要求輸入電容器、晶體管和變壓器應(yīng)該被此靠近。在次級回路中，要求二極管與變壓器和輸出電容被此貼近。圖4是一個(gè)初級回路布線的示意。
        

        

        

        
         在印刷板布局上，減小回路面積的方法：一種簡單的方法是在載流導(dǎo)線旁邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近載流導(dǎo)線。這樣就形成了較小的回路面積，這有利于減小差模輻射和對外界干擾的敏感度。
        

        
         如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近載流導(dǎo)線的下面，沿著載流導(dǎo)線布一條地線，地線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于線路板的厚度乘以載流導(dǎo)線的長度。而平行緊靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨于相互抵消的。
        

        
         另一種有效的布局方案是將正負(fù)載流導(dǎo)體布在同一面上，彼此靠近，而印刷板的反面僅作為“地”（或另一恒定電位面），使“地”板感應(yīng)的鏡象電流與相對的磁場趨于抵消。
        

        
           一個(gè)更好的辦法是采用多層印刷線路板，這時(shí)接地層直接布在電源層的上面，由于層間距離達(dá)到**接近的程度，對輻射的抑制可以有*好的效果，當(dāng)然這也是以成本為代價(jià)的。
        

        
圖5是采用SG6840控制器的開關(guān)電源例子。
        

        

        

        
圖6 是用SG6840控制器做成的開關(guān)電源實(shí)物。
        

        

        

        
圖7則是印刷線路板的布局和布線。
        

        

        

        
4.4 通過采用緩沖吸收來降低開關(guān)頻率中的高次諧波成分
        

        
        開關(guān)電源初級和次級的環(huán)路電流I 及工作頻率f 涉及基本電路的設(shè)計(jì)，一經(jīng)設(shè)計(jì)定型，不能輕易改變。
        

        
       然而開關(guān)電源的工作頻率f 僅僅是基波頻率，從目前的設(shè)計(jì)水平來看，通常是50kHz至200kHz，或更高一點(diǎn)，即使這樣，就電磁騷擾發(fā)射角度來看，實(shí)際上處在一個(gè)很低的頻段之內(nèi)，尚不可能形成高頻的電磁輻射。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的射頻輻射的測量頻段為30MHz以上，能夠達(dá)到這一頻率范圍的只可能是開關(guān)頻率的諧波分量。
        

        
圖8是用來說明開關(guān)電源開關(guān)波形中諧波分量的輻射發(fā)射能量分析圖。
        

        

        

        
         圖中可以看出，諧波分量的大小與開關(guān)的梯形波上升沿時(shí)間tr有關(guān)，tr越小，諧波分量的能量越大。上升沿時(shí)間tr決定頻譜的拐點(diǎn)，為了減小輻射發(fā)射，*重要的是要盡量降低開關(guān)頻率或增大梯形波的上升沿時(shí)間tr 。就開關(guān)電源來說，著重處理初級逆變電路和次級高頻整流濾波電路的波形。
        

        
4.4.1 對初級高頻高壓逆變回路的處理
        

        
        對于開關(guān)晶體管因驅(qū)動(dòng)高頻變壓器原邊所感應(yīng)出來的高壓尖峰和輻射騷擾應(yīng)當(dāng)采用緩沖和箝位的方法予以克服。圖9是幾種可能的方案。
        

        

        

        
         應(yīng)該說緩沖和箝位有著截然不同的使用目的，使用不妥將對開關(guān)電源中的半導(dǎo)體器件的可靠性產(chǎn)生有害影響。
        

        
         緩沖吸收電路（主要由電阻、電容和二極管電路組成）被用來減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，這對于半導(dǎo)體器件使用的**性是有好處的。與此同時(shí)，緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量。與TVS管的箝位方案相比，緩沖吸收電路具有較低的成本和較高的開關(guān)電源效率，但要求精心設(shè)計(jì)、精心調(diào)試。
        

        
⑴ 部分緩沖電路（圖9右側(cè)緩沖電路）的分析
        

        
① 電容緩沖吸收電路
        

        
         這是比RC和RCD緩沖電路更加簡單、更加基本的緩沖電路，直接將電容跨接在開關(guān)晶體管漏源之間。導(dǎo)通時(shí)，電容通過開關(guān)晶體管放電到零；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電源經(jīng)由開關(guān)變壓器初級向電容器充電，電容兩端的電壓“緩慢”上升，抑制了開關(guān)管上的電壓變化和尖峰電壓的形成。只是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電容要被短路，電容直接經(jīng)過開關(guān)管放電到零，會(huì)在開關(guān)管中產(chǎn)生很大的尖峰電流，使開關(guān)晶體管的導(dǎo)通損耗大大增加。電容越大，對開關(guān)管上的尖峰電壓的抑制作用越好，但是在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流尖峰和導(dǎo)通損耗也越大。所以實(shí)際使用時(shí)，對電容緩沖電路的限制較多，電容的值只能用得較小，使用效果一般。
        

        
② RC阻容緩沖吸收電路
        

        
         為了克服電容緩沖吸收電路的缺點(diǎn)，可采用RC阻容緩沖吸收電路來代替單個(gè)電容。由于電阻R的參入，使得在開關(guān)晶體管斷開時(shí)的緩沖作用比電容為差。但在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間由于R的存在，限制了開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流峰值。R值不同，對緩中吸收的效果也不同。R越大，緩沖吸收越差。實(shí)用中R的阻值都取得比較小。這種緩沖吸收電路在雙極晶體管和MOSFET的過電壓保護(hù)中用得非常廣泛。
        

        
③ RCD緩沖吸收電路
        

        
       RCD緩沖吸收電路與RC阻容緩沖吸收電路的不同在于在電阻R的兩端并聯(lián)了一個(gè)二極管。這一改進(jìn)使得開關(guān)晶體管在截止瞬間電源經(jīng)由二極管向電容C充電，由于二極管順向?qū)ǖ膲航岛苄?，所以對開關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)的過電壓緩沖吸收效果與單個(gè)電容相當(dāng)。而當(dāng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，二極管的單向?qū)щ娮饔檬沟萌腚娙莸姆烹娭荒芙?jīng)過串聯(lián)電阻R進(jìn)行，其作用與RC阻容緩沖吸收電路相當(dāng)。在RCD緩沖吸收電路設(shè)計(jì)時(shí)，要保證當(dāng)開關(guān)晶體管斷開時(shí)，電容C要充電到電源電壓值；而當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電容上的電荷要經(jīng)過電阻R完全放光。因此，在每一個(gè)開關(guān)周期中，電容上儲(chǔ)存的能量要全部消耗在電阻R上，故這種緩沖吸收電路要消耗的能量比較大，但效果比前兩種緩沖吸收電路要好。由于這種電路的能量損耗正比于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，對于在頻率很高的開關(guān)電源上較少采用。
        

        
⑵ 箝位電路的分析
        

        
        箝位電路（圖8中采用的是半導(dǎo)體瞬變電壓吸收二極管與高速、高反壓二極管的串聯(lián)電路來擔(dān)任）僅被用來減少尖峰電壓的幅度，而對于dv/dt的瞬變沒有任何改善作用。因此，箝位電路對于減少因瞬變造成的輻射騷擾幾乎無用。箝位電路主要用來防止半導(dǎo)體器件和電容器有被擊穿的危險(xiǎn)。實(shí)用中，綜合箝位電路的保護(hù)作用和開關(guān)電源的效率要求，TVS管的擊穿電壓一般選擇在初級繞組感應(yīng)電壓的1.5倍左右為適宜。
        

        
        另外，與RC或RCD緩沖電路相比，TVS管箝位電路使用的元件數(shù)量*少，所占印刷電路板的面積也比較小。
        

        
       無論是緩沖吸收或者是箝位電路，在安裝布局時(shí)要靠近主開關(guān)管和高頻變壓器，并且要縮短包括器件引線在內(nèi)的所有配線。
        

        
       緩沖和箝位電路對于開關(guān)波形的作用見圖10所示。
        

        

        

        
4.4.2 對次級整流回路的處理
        

        
       對于次級回路中作整流的高速二極管的反向恢復(fù)現(xiàn)象，在晶體管截止瞬間出現(xiàn)電流的陡變，因其有著很高的di/dt值，而產(chǎn)生的輻射能量。
        

        
      為了控制這種輻射：
        

        
①可以在變壓器輸出引線到整流二極管的饋線中使用磁珠。
        

        
②在高速二極管的兩端跨接低損耗陶瓷電容（或聚酯薄膜電容器）與電阻串聯(lián)而成的緩沖電路。其中電容的典型值為330pF～4700pF，或更大（如10000pF）；電阻為0Ω～27Ω。電阻所消耗的功率PR可作如下估算：
        

        
PR ＝CS(VS ) 2f
        

        
式中：
        

        
CS是并聯(lián)電容，F(xiàn)；
        

        
VS是次級電壓，V；
        

        
f 是開關(guān)電源工作的頻率，Hz。
        

        
        上式表明，緩沖電路的電容越大，將來在電阻上的功率損耗也越大，開關(guān)電源的效率會(huì)變得低些。通常開關(guān)電源整流二極管上緩沖電路的參數(shù)是采用實(shí)物試探法來選擇的，應(yīng)當(dāng)在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)階段就加以確定。此外，為了取得盡量好的緩沖吸收效果，緩沖電路要盡量靠近整流二極管來安裝。
        

        
③使用軟恢復(fù)二極管（在直流輸出電壓比較低的場合，還可采用肖特基二極管。一方面由于反向恢復(fù)時(shí)間短，可以不用緩沖電路；另一方面由于順向壓降低，使得開關(guān)電源在輸出電壓比較低的情況下，也能取得比較高的效率）。
        

        
4.5 開關(guān)電源印刷線路板的設(shè)計(jì)
        

        
         前面講述了開關(guān)電源的輻射騷擾的抑制，著重于從印刷線路板的布局和緩沖吸收電路的采用等幾個(gè)方面來進(jìn)行敘述。但是就印刷線路板的設(shè)計(jì)來看，這還是不夠的，至少還應(yīng)當(dāng)包含地線的噪聲、印刷線路的長度、印刷線路之間的耦合等有關(guān)問題。所以在結(jié)束《開關(guān)電源的輻射騷擾抑制問題》這一話題前還想講一講開關(guān)電源印刷線路板設(shè)計(jì)方面的事情。
        

        
         通常開關(guān)電源的印刷電路板是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的*后一個(gè)環(huán)節(jié)，但是設(shè)計(jì)不當(dāng)，就有可能會(huì)輻射出過多的電磁騷擾。應(yīng)該指出，要對開關(guān)電源所有的線路都實(shí)現(xiàn)*佳布線是不可能的，所以要抓住重點(diǎn)。從電磁騷擾發(fā)射的角度考慮，*重要的信號是高電流和電壓變化率（di/dt和dv/dt）信號。對開關(guān)電源來說是初級的開關(guān)調(diào)整回路和次級的整流輸出回路。這兩個(gè)回路都包含高幅值的梯形電流，其中的諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)高于開關(guān)的基頻。因此這兩個(gè)回路*容易產(chǎn)生電磁干擾，必須在電源中先于其它印制線布線之前布好這兩個(gè)回路。這兩個(gè)回路都包含三種主要的元件，分別是濾波電容、開關(guān)晶體管或整流二極管、以及電感或變壓器。這些器件應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，開關(guān)晶體管和整流二極管的位置應(yīng)該使它們之間的電流路徑盡可能短。*佳設(shè)計(jì)流程如下：
        

        
① 放置變壓器
        

        
② 設(shè)計(jì)電源的初級開關(guān)電流回路
        

        
③ 設(shè)計(jì)電源的次級整流輸出回路
        

        
       另外，從敏感度的角度出發(fā)，針對開關(guān)電源來說反饋控制則是*重要的敏感線路（這里包括與這部分電路相關(guān)的地線處理，參看本講座的圖7）。
        

        
       一旦把這些重要信號分離出來，在開關(guān)電源的印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)就可以把重點(diǎn)放到這些線路的設(shè)計(jì)上，其他問題也就容易解決了。
        

        
       在對開關(guān)電源印刷電路布局時(shí)要掌握以下原則：
        

        
① 首先是印刷電路板的尺寸。尺寸不能過大，否則印刷線條太長，使阻抗增加，而抗干擾的能力下降，成本也增加。尺寸過小則散熱不好，且鄰近線條間易受干擾。電路板的*佳形狀是矩形，長寬比為3︰2或4︰3。并從印刷電路板的兩端引進(jìn)線和出線（一端是進(jìn)線，另一端是出線。進(jìn)線和出線不能靠得太近）。
        

        
② 由于線路的長度反映出印制線響應(yīng)的波長，長度越長，印制線能發(fā)送和接收電磁波的頻率就越低，也就能輻射或接受出更多的射頻能量。另外，從減少環(huán)路電阻和減小公共路徑的相互干擾出發(fā)，根據(jù)通過電流的大小，盡量加大印刷線布線的寬度。
        

        
       因此在布局和布線時(shí)要以功能電路核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在印刷電路板上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，緩沖電路要盡量靠近被保護(hù)的器件，盡可能地減小關(guān)鍵環(huán)路的面積，以抑制開關(guān)電源的輻射騷擾。
        

        
③ 開關(guān)電源的印刷電路布局時(shí)，要按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。還要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，便于批量生產(chǎn)。
        

        
5. 開關(guān)電源的電磁兼容性處理實(shí)例
        

        
        經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，某款開關(guān)電源的輻射騷擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值在20dB左右，采用實(shí)驗(yàn)室里容易實(shí)現(xiàn)的措施進(jìn)行如下改進(jìn)：
        

        
●在所有整流二極管兩端并470pF電容；
        

        
●在開關(guān)管控制極的輸入端并聯(lián)50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一個(gè)RC低通濾波器；
        

        
●在各輸出濾波電容（電解電容）上并聯(lián)一個(gè)0.01μF電容；
        

        
●在整流二極管管腳上套一個(gè)小磁珠；
        

        
●改善屏蔽體的接地。
        

        
         經(jīng)過上述改進(jìn)后，該電源就通過輻射干擾測試的限值要求。
        
    
        
    

        
    
        

        

                        
        
                    
        
                
        
            
        
        
        
    
        
                                            
        
                                        
        
                                    
        
                                
        
                            
        
                        
        
                    
        
                
        
                
            		 	
        
		 		
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