高頻開（kāi）關電（diàn）源的電磁兼容解決辦法

隨（suí）著高頻（pín）開關電源技術的不斷完善和日趨（qū）成熟，其在鐵路（lù）信號（hào）供電係統中的（de）應用也在迅速增加。與此同時，高頻開關電源自身存在的電磁幹擾（EMI）問題如（rú）果處理不好，不僅容易對電網造成（chéng）汙染，直接（jiē）影響其（qí）他用電設備的正常工作（zuò），而且傳入空間也易形成電磁汙（wū）染，由此產生了高頻開關電源的電磁兼容（EMC）問題。

高頻開關電源等電子產品電（diàn）磁兼容重要性的凸現，我們應（yīng）該在產品設計初期階段，同時進行電磁兼容設計，此時結構和電路方案尚未定型，可選用（yòng）的方法較多。如果等到生（shēng）產階（jiē）段再去解決，不但給技術和工藝上帶來很（hěn）大難度，而且會造成人力、財力和（hé）時間的極大浪費。所以，要走出設計修改法的誤區，正確運用係（xì）統設計法。

本文重點對鐵路信號電源（yuán）屏使用的1200W（24V/50A）高頻開關電源模塊所存（cún）在（zài）的電磁幹擾超標問題進（jìn）行分析，並提出改進措施（shī）。高頻開關電（diàn）源產（chǎn）生的（de）電磁幹擾可分為傳導幹擾和輻（fú）射幹擾兩大類。傳導幹擾通過交流電源傳播，頻率低於30MHz；輻射幹（gàn）擾通過空間傳播，頻率在30～1000MHz。

高頻（pín）開關電源的電路結構

高頻（pín）開（kāi）關電源的主拓撲電路原理，如圖1所示。

高頻開關電源電磁幹擾源的分析

在圖1a電路中的整流器、功率管Q1，在圖1b電路中（zhōng）的功率（lǜ）管Q2～Q5、高頻變壓器T1、輸出整流（liú）二極管D1～D2都是（shì）高頻開關電源工作時產（chǎn）生電磁幹擾的主要幹（gàn）擾源，具（jù）體分析如（rú）下。

（1）整（zhěng）流器（qì）整流過（guò）程產生的高次諧波會沿著電（diàn）源線產生傳導幹擾和輻射幹擾。

（2）開關功（gōng）率（lǜ）管工作在（zài）高頻導通和截止的狀態，為了（le）降低開（kāi）關損耗，提高電源功率密度和整體效率，開關管的打開和（hé）關斷（duàn）的（de）速度越來越快，一般在幾微秒，開關管以這樣（yàng）的速（sù）度打開和關斷，形成了浪湧電壓（yā）和浪湧電（diàn）流，會產生（shēng）高頻高（gāo）壓的尖峰諧（xié）波，對空間和交流輸入線形成電磁幹擾。

（3）高頻變壓器T1進行功率變換的同時，產生了交變的電磁（cí）場，向空間輻射電磁波，形成了輻射（shè）幹擾。變壓器的分布電感和電容產（chǎn）生振蕩，並通過變壓（yā）器初次級之（zhī）間的分布電容耦合到交流輸入回路（lù），形成傳導幹擾（rǎo）。

（4）在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流二極管工作在高頻開關狀態，也是一種電磁（cí）幹擾源。

由於二極管的引線（xiàn）寄生電感、結電容的（de）存在以及反向恢複電流的（de）影（yǐng）響，使之工作在很高的（de）電壓和電流變化率（lǜ）下，二極管反向恢複的時間越長，則尖（jiān）峰電流的影響也越（yuè）大，幹擾信號就越強，由此產生（shēng）高頻衰減振蕩，這是一（yī）種差模傳導幹擾（rǎo）。

所有（yǒu）產生的這些電磁信號，通過電源（yuán）線、信號線、接地線等金屬導線傳輸到（dào）外部電源形成傳（chuán）導幹擾。通過導（dǎo）線和器件輻射或通過充當天（tiān）線的互連線輻（fú）射的幹擾信號造（zào）成輻射幹（gàn）擾。

針對高頻開關電源電磁幹擾的電（diàn）磁兼容設計

（1）開（kāi）關電源入口加電源濾（lǜ）波器（qì），抑製開關電源所產生的高（gāo）次諧波。

（2）輸入輸出電源線上加鐵氧體磁（cí）環，一方麵抑製電源線內的（de）高頻共模，另一方麵減小通過（guò）電源線輻射的幹擾能量。

（3）電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環路麵積；把輸入交流（liú）電源線（xiàn）和輸出（chū）直流電源線分開走線，減小輸入輸出間的電（diàn）磁耦合；信號線遠離電源線，靠近地線走線，並且（qiě）走線不要過長，以減小回路（lù）的環麵積；PCB板上的（de）線條寬（kuān）度不（bú）能突變，拐角采用圓弧過渡，盡量不采用直角或尖角。

（4）對（duì）芯（xīn）片（piàn）和MOS開關管安（ān）裝去耦電容，其位置盡可能地靠近並聯在（zài）器件的電源和接地管腳。

（5）由於接（jiē）地導線存在Ldi/dt，PCB板和機（jī）殼間接（jiē）地（dì）采用銅柱連接，對不適合（hé）用銅柱連接的采用較粗的導線，並就近接地。

（6）在開關管以及輸出整流二（èr）極管兩端加RC吸收電路，吸（xī）收浪湧電（diàn）壓（yā）。

高頻開關電（diàn）源電磁幹擾測試曲（qǔ）線

在3m法電波暗室對試驗樣機進行測試，其L、N線的傳導幹擾（rǎo）檢測曲線如圖2、3所示，輻射幹擾的垂直極化掃描曲（qǔ）線如圖4、5所示。

根據鐵路客運（yùn）專線標（biāo）準規定，傳導（dǎo）幹（gàn）擾限值和輻射幹擾限值如表1、2所示。

本開關電源一次通過（guò）了傳導幹擾的（de）測試，測試波形如圖2、3所示（shì）。輻射幹擾高頻段230～1000MHz也測試合格，如圖5所示。隻是在（zài）30～200MHz頻段範圍內的垂直極化（huà）指標（biāo）超（chāo）標，最大超標20dB，如圖4所（suǒ）示。

由測試結果可以看出，通過電（diàn）磁兼容設計在傳導幹擾抑製（zhì）方麵取得了良好效果，在（zài）高頻段輻射幹擾的設計也達到了預期（qī）效（xiào）果（guǒ），下麵還（hái）需對在30～200MHz頻段範圍內的輻射幹擾進行改進設計。

高頻開關電源（yuán）輻射（shè）幹擾的改進設（shè）計

由圖（tú）4可以看出，本開關電源存在（zài）輻射幹擾超標（biāo）的現象，為了抑（yì）製電磁幹擾而使用鐵氧（yǎng）體元（yuán）件，價（jià）格（gé）便宜，效果明顯（xiǎn）。鐵氧體元件等效電路是電（diàn）感L和電阻（zǔ）R組成的串（chuàn）聯（lián）電路，L和R都是頻率的函數（shù）。低頻時，R很小，L起主要作用，電磁幹擾被反射而受到抑製；高頻時，R增大，電磁（cí）幹擾被吸（xī）收並轉換成熱能，使高頻幹擾大大衰減。不同的鐵氧體抑製（zhì）元（yuán）件，有不同的最佳抑製頻率範圍。總（zǒng）之（zhī），選擇和安裝鐵氧體元件可參照如下（xià）幾（jǐ）條：

（1）鐵氧體的體積越大，抑製效果（guǒ）越好；
（2）在體（tǐ）積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑製效果好；
（3）內徑越小（xiǎo）抑製效果也（yě）越好；
（4）橫截麵越大，越（yuè）不易飽和；
（5）磁導率越高，抑製的（de）頻率就越低（dī）；
（6）鐵氧（yǎng）體抑製元件應當安裝在靠近幹擾源的地方；
（7）在輸入、輸出導線上安裝時，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口（kǒu）處。

根據上麵對（duì）高頻開關電源幹擾（rǎo）源和鐵氧體元件的分析，決定（dìng）在靠近幹擾源的地方套磁珠與磁環。圖1a中電容C1的接地端套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二（èr）極管D1和D2使用肖特基二極（jí）管，其（qí）陽（yáng）極套（tào）鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環（φ13.5×φ7.5×7）繞兩圈且靠近出口處。經過處理後重新測試，其掃描曲線如圖（tú）6所示。由此可見，大部分頻（pín）段的輻射幹擾已被抑製到標準要求以下，但在頻率81、138、165kHz附近處（chù）仍然超標。

根據對開關電源（yuán）電磁幹擾源的分析可知，在圖1b電路中高頻變壓器（qì）T1也是一（yī）個幹擾源。為了阻止高頻變壓器產生的幹擾信號以（yǐ）輻射方式發射，把變壓器（qì）的外殼用屏蔽材料（liào）銅箔環繞一圈構成一回路（lù）加以屏蔽，以切斷變（biàn）壓器通過（guò）空間耦合形成的（de）輻射幹擾傳播途徑。並且為了減少因變壓器一次側開通（tōng）時電流瞬間突變產生的（de）di／dt幹擾（rǎo），在變壓器T1的一次側串進（jìn）1個電感，以（yǐ）減小器件的開通損耗，降低輻射（shè）幹擾（rǎo）信號。經過整改後，輻射（shè）幹擾大大下降，再次（cì）對本（běn）電源輻射幹擾進行（háng）測試，完（）全達到（dào）了標準要求，其測試結果如圖7所示。

與EMI相關的因素多且複雜，僅做到上述的幾點措施是遠遠不夠的，還有接（jiē）地技（jì）術、PCB布局走線等都很重要。電（diàn）磁兼（jiān）容的設計任重而道遠，我們要不斷進行研究探（tàn）索，使我國的電子產品電磁兼容水平與（yǔ）國際同步。