開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)給電力電子行業(yè)帶來(lái)的全新的變革，促進(jìn)了產(chǎn)品的小型化,，集成化,，能源利用高效化，不過(guò)也帶來(lái)了相對(duì)于傳統(tǒng)電源致命的弱勢(shì)—電磁干擾,。小功率反激電源" title="反激電源">反激電源作為市場(chǎng)上最為成熟的電源之一,，在電力電子行業(yè)占據(jù)相當(dāng)大的比重。目前介紹開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的文章很多,，不過(guò)考慮到市場(chǎng)化,，小功率反激電源只用一級(jí)EMI濾波，無(wú)散熱片,，還有很重要的一點(diǎn),，要考慮可生產(chǎn)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(chǎn)的角度出發(fā)來(lái)闡述小功率反激電源EMI抑制方法,。
1 主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
目前世界各個(gè)國(guó)家和組織都對(duì)電子產(chǎn)品的EMI限值做出相應(yīng)的規(guī)定，比較典型的標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的FCC第15部分,；國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)中TC77的IEC61000部分,；國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)CISPR的CISPR22（信息技術(shù)設(shè)備）；歐盟的EN55022（信息技術(shù)設(shè)備）；中國(guó)的 GB9254-1998（信息技術(shù)設(shè)備）是從CISPR的CISPR22轉(zhuǎn)換而來(lái)的,。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)A類設(shè)備和B類設(shè)備分別作了相應(yīng)的要求,，如下表 [1]：
表1 A類傳導(dǎo)" title="傳導(dǎo)">傳導(dǎo)限值。
表2 B類傳導(dǎo)限值,。
注：A類設(shè)備：用于貿(mào)易,，工業(yè)，商業(yè)環(huán)境的設(shè)備,；B類設(shè)備：用于居住環(huán)境的設(shè)備,。
2 抑制措施
電磁干擾(Electro Magnetic Interference)，有傳導(dǎo)干擾和輻射" title="輻射">輻射干擾兩種,。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。差模干擾和共模干擾是主要的傳導(dǎo)干擾形態(tài),，而功率變換器的傳導(dǎo)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(chǎn)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(duì)噪聲敏感）的客體—受擾設(shè)備
2.1 EMI濾波器的選擇選用
圖1是開(kāi)關(guān)電源常用的一級(jí)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(duì)于小型開(kāi)關(guān)電源來(lái)講,，由于體積的限制，很多時(shí)候會(huì)將CY1,、CY2會(huì)省略掉的,，甚至連L1也會(huì)省去。圖中 共模扼流圈L1的兩個(gè)線圈匝數(shù)相等,，方向相同,，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是方向相反、互相抵消的,，因而不起作用,；而對(duì)于共模干擾信號(hào)，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同,，有相互加強(qiáng)的作用,，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，從而得到一個(gè)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(gè)低通濾波器，用來(lái)抑制電源線上存在的差模干擾信號(hào)。CY1與CY2的存在是給共模噪聲提供旁路,，同時(shí)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(shí)主要由電感起作用,，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用,。同時(shí)，在安裝與布線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意:濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備入口處安裝, 并且濾波器的輸入和輸出線必須分開(kāi),，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(dǎo)線應(yīng)盡量短,，以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振,。
圖1 一級(jí)EMI 濾波器電路。
濾波器的抑制作用是用插入損耗來(lái)度量的,。插入損耗A用分貝（dB）表示,，分貝值愈大， 說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng),如式（1）所示：
工程設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)測(cè)量計(jì)算出需要設(shè)定的插入損耗值,，得出轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn),，然后根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)電感電容參數(shù)，如式（2）：
不過(guò)注意,，不是所有的濾波器都能使電磁干擾減小,，有的還會(huì)更嚴(yán)重。因?yàn)闉V波器會(huì)產(chǎn)生諧振,從而產(chǎn)生插入增益,。插入增益不僅不會(huì)使干擾減小,而且還使干擾增強(qiáng),。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗相差很大時(shí)，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(gè)是將諧振頻率移動(dòng)到?jīng)]有干擾的頻率上,，另一個(gè)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,。
2.2 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化
輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能,，第一是能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，第二是減小高頻諧波與共模干擾,。 實(shí)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(wú)法給高頻傳導(dǎo)噪聲提供有效衰減,。這時(shí)候可以選擇 型濾波,，將一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)起來(lái)使用，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻干擾,。不過(guò),，將大容量電容和小容量電容并聯(lián)起來(lái)的方法，會(huì)在某個(gè)頻率上出現(xiàn)旁路效果很差的現(xiàn)象,。這是因?yàn)樵诖箅娙莸闹C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(shí)際是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò),，這個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會(huì)在某個(gè)頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振,，導(dǎo)致其阻抗最大，這時(shí)電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用,。如果剛好在這個(gè)頻率上有較強(qiáng)的干擾,，就會(huì)出現(xiàn)干擾問(wèn)題。
2.3 緩沖電路的應(yīng)用
開(kāi)關(guān)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(lái)抑制,，而對(duì)于尖峰干擾，除了在源頭上減小漏感,，選擇快恢復(fù)二極管來(lái)減小尖峰外,，最常見(jiàn)的就是開(kāi)關(guān)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(jí)漏感在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的電壓尖峰,。RC吸收電路用于抑制二極管關(guān)斷時(shí)變壓器次級(jí)漏感與二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰,。不過(guò)這些緩沖電路是通過(guò)消耗功率來(lái)達(dá)到抑制目的，因此需要根據(jù)實(shí)際需求選擇使用,。
2.4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(jí)開(kāi)關(guān)環(huán)路（MOS管,，變壓器,，輸入電容）
B：次級(jí)開(kāi)關(guān)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?yàn)椴钅ｋ娏髁鬟^(guò)導(dǎo)線環(huán)路時(shí),，將引起差模輻射如式（3）表示[2]：
同時(shí),，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(dāng)外接電纜與這些部位連接時(shí),，就會(huì)在共模電壓激勵(lì)下產(chǎn)生共模電流，從而產(chǎn)生共模輻射干擾如式（4）表示[2]：
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(dǎo)線應(yīng)當(dāng)盡量地短,，以減小引起共模輻射的環(huán)路導(dǎo)線長(zhǎng)度。
2.5優(yōu)化地線設(shè)計(jì)
由于地線存在阻抗,，地線電流流過(guò)地線時(shí),就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓,。細(xì)而長(zhǎng)的導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感,如式（5）[2]，其阻抗隨頻率的增加而增加：
在設(shè)計(jì)小功率電源電路時(shí),往往運(yùn)用單點(diǎn)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(shí)候就需要注意相對(duì)減小高頻回路地線的長(zhǎng)度，以減小共模噪聲,。
2.6屏蔽的應(yīng)用
在小功率反激電源中,，變壓器是一個(gè)很大的噪聲源。它作為噪聲產(chǎn)生源[3]：
A：功率變壓器原次邊存在的漏感,，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾,。
B：功率變壓器線圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場(chǎng),，產(chǎn)生輻射干擾,。
C：變壓器漏感的存在使得在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)瞬間，形成電壓尖峰,，產(chǎn)生電磁干擾,。
作為傳播途徑：隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到次邊,。 對(duì)于變壓器的漏感,，可以通過(guò)三明治繞法等改變工藝結(jié)構(gòu)改善，也可以通過(guò)改變變壓器性能設(shè)計(jì)來(lái)減小,，對(duì)于變壓器繞組的分布電容可以通過(guò)改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu),、增加繞組之間的絕緣、采用屏蔽等方法來(lái)減小繞組間的分布電容,。從工程角度來(lái)說(shuō),，特別是對(duì)于某些已經(jīng)面世而為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力選擇提高EMI要求作為突破口的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，改變變壓器性能設(shè)計(jì)肯定影響重大,，而改變工藝結(jié)構(gòu)也影響到生產(chǎn)甚至性能,。屏蔽是生產(chǎn)延續(xù)性最好與總體影響性最小的一種方法。
屏蔽對(duì)于干擾的抑制作用用屏蔽效能來(lái)衡量,，屏蔽效能A主要由吸收損耗與反射損耗來(lái)表示,，總損耗越大,，屏蔽體對(duì)電磁干擾的抑制能力越強(qiáng)，如式（6）表示[2],。
從吸收損耗的公式可以得出以下結(jié)論：
屏蔽材料越厚,，吸收損耗越大；屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高,，吸收損耗越大,；屏蔽材料的電導(dǎo)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(chǎng)輻射源時(shí)反射損耗 [2],，如式（7）：(近場(chǎng)波,，高阻抗場(chǎng))
干擾源為磁場(chǎng)輻射源時(shí)反射損耗 [2]，如式（8）：(近場(chǎng)波,，低阻抗場(chǎng))
干擾源為電場(chǎng)源或者磁場(chǎng)源時(shí)反射損耗 [2],，如式（9）：(遠(yuǎn)場(chǎng)波)
從反射損耗的公式可以得出以下結(jié)論：
屏蔽材料的磁導(dǎo)率越低，吸收損耗越大,；屏蔽材料的電導(dǎo)率越高,，吸收損耗越大。
從以上我們可以得出結(jié)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(zhì)關(guān)系很大，電場(chǎng)波的屏蔽效能遠(yuǎn)高于磁場(chǎng)波,。
B：高頻：隨著頻率升高,，電場(chǎng)波的反射損耗降低，磁場(chǎng)波的反射損耗增加,，吸收損耗增加,，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，屏蔽效能主要由吸收損耗決定,。
C：距離的影響：距離電場(chǎng)源越近,，則反射損耗越大。對(duì)于磁場(chǎng)源,，則正好相反。要獲得盡量高的屏蔽效能,，屏蔽體應(yīng)盡量靠近電場(chǎng)輻射源,，盡量遠(yuǎn)離磁場(chǎng)輻射源。
2.7磁珠的應(yīng)用
磁珠由鐵氧體組成,，它把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能,，當(dāng)導(dǎo)線中流過(guò)電流時(shí),，它對(duì)低頻電流幾乎沒(méi)有什么阻抗，但對(duì)高頻電流會(huì)有較大的衰減作用,。磁珠抑制能力與它的長(zhǎng)度成比例,。不過(guò)磁珠的運(yùn)用會(huì)提高產(chǎn)品溫升，同時(shí)降低產(chǎn)品的可生產(chǎn)性,，對(duì)于高功率密度的小功率電源來(lái)說(shuō),，盡量避免使用。
2.8減緩驅(qū)動(dòng)
增大MOS管驅(qū)動(dòng)電阻,，使得MOS管的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間增加,，使dv/dt值變小。不過(guò)這種方式會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗,，只有在沒(méi)有其他有效解決辦法時(shí)推薦使用,。比如MORNSUN公司的LH15XX某型號(hào)，在確定不能更改變壓器結(jié)構(gòu)與PCB布局情況下,，只有增大驅(qū)動(dòng)電阻,，犧牲少許的效率來(lái)?yè)Q取輻射干擾達(dá)到EN55022 CLASS B指標(biāo)。
3 案例
圖2是采用無(wú)錫硅動(dòng)力(Si-power)SP56XX系列芯片(含抖頻,，降頻和跳頻技術(shù))做的小功率模塊電源產(chǎn)品（37*23*15mm）,，功率為5W，開(kāi)關(guān)頻率65KHz,通過(guò)精心的設(shè)計(jì),，在沒(méi)有圖1中輸入EMI濾波電路和無(wú)Y電容的情況下,，使產(chǎn)品的傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)分別滿足class A級(jí)和B級(jí)的要求，并能滿足最新的能源之星V的標(biāo)準(zhǔn),，圖3,、圖4是該產(chǎn)品的EMI測(cè)試圖（產(chǎn)品通過(guò)了UL/CE認(rèn)證）。由于電路簡(jiǎn)單,，元件少,，該系列電源在批量生產(chǎn)時(shí)不良率僅為50PPM。
4 結(jié)論
高功率密度是電源發(fā)展的一個(gè)方向,，小功率反激電源也一樣,。不過(guò)由于小功率電源要求體積小，成本低,，它的EMI設(shè)計(jì)受到體積,、熱設(shè)計(jì)和易生產(chǎn)性等方面的影響，可以發(fā)揮的空間已經(jīng)很小,。需要設(shè)計(jì)人員從開(kāi)始階段就要注意PCB布局,，注重電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輸入輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì),，設(shè)計(jì)中期通過(guò)更改輸入EMI濾波器參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,，調(diào)試沒(méi)有效果的情況下通過(guò)增加磁珠,，改變驅(qū)動(dòng)等犧牲其他性能的方式達(dá)到傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)。