開(kāi)關(guān)電源的出現給電力電子行業(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)了相對于傳統電源致命的弱勢—電磁干擾。小功率反激電源作為市場(chǎng)上最為成熟的電源之一，在電力電子行業(yè)占據相當大的比重。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 主要測試標準 

目前世界各個(gè)國家和組織都對電子產(chǎn)品的EMI限值做出相應的規定，比較典型的標準有：美國聯(lián)邦通信委員會(huì )的FCC第15部分；國際電工技術(shù)委員會(huì )中TC77的IEC61000部分；國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )CISPR的CISPR22（信息技術(shù)設備）；歐盟的EN55022（信息技術(shù)設備）；中國的 GB9254-1998（信息技術(shù)設備）是從CISPR的CISPR22轉換而來(lái)的。標準中對A類(lèi)設備和B類(lèi)設備分別作了相應的要求，如下表 [1]： 

表1 A類(lèi)傳導限值。

表2 B類(lèi)傳導限值。

注：A類(lèi)設備：用于貿易，工業(yè)，商業(yè)環(huán)境的設備；B類(lèi)設備：用于居住環(huán)境的設備。 

2 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(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合到另一個(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(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（對噪聲敏感）的客體—受擾設備

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EMI 濾波器的電路。圖中的L1為共模扼流圈，Cx、CY1、CY2為安規電容，對于小型開(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(xiàn)圈匝數相等，方向相同，這兩個(gè)電感對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；而對于共模干擾信號，兩線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強的作用，每一線(xiàn)圈電感值為單獨存在時(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(xiàn)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(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(xiàn)時(shí)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(xiàn)必須分開(kāi)，防止輸入端與輸出端線(xiàn)路相互耦合，降低濾波特性。濾波器中電容器導線(xiàn)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(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,如式（1）所示：  

工程設計時(shí)通過(guò)測量計算出需要設定的插入損耗值，得出轉折頻率點(diǎn)，然后根據轉折頻率設計電感電容參數，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 )更嚴重。因為濾波器會(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。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負載阻抗相差很大時(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 )設計的優(yōu)化  

輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò )主要實(shí)現兩個(gè)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(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起主要作用，無(wú)法給高頻傳導噪聲提供有效衰減。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)頻率上出現旁路效果很差的現象。這是因為在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現電感特性(阻抗隨頻率升高增加)，小電容呈現電容特性,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)頻率上有較強的干擾，就會(huì )出現干擾問(wèn)題。  

2.3 緩沖電路的應用 

開(kāi)關(guān)電源的干擾按噪聲源種類(lèi)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，而對于尖峰干擾，除了在源頭上減小漏感，選擇快恢復二極管來(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)變壓器次級漏感與二極管反向恢復引起的電壓尖峰。不過(guò)這些緩沖電路是通過(guò)消耗功率來(lái)達到抑制目的，因此需要根據實(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：初級開(kāi)關(guān)環(huán)路（MOS管，變壓器，輸入電容）

B：次級開(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）  

因為差模電流流過(guò)導線(xiàn)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，當外接電纜與這些部位連接時(shí)，就會(huì )在共模電壓激勵下產(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(mǎn)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(xiàn)應當盡量地短，以減小引起共模輻射的環(huán)路導線(xiàn)長(cháng)度。 

2.5優(yōu)化地線(xiàn)設計 

由于地線(xiàn)存在阻抗，地線(xiàn)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí),就會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓。細而長(cháng)的導線(xiàn)呈現高電感,如式（5）[2]，其阻抗隨頻率的增加而增加： 

在設計小功率電源電路時(shí),往往運用單點(diǎn)接地與浮地，將地線(xiàn)作為所有電路的公共地線(xiàn),因此地線(xiàn)上的電流成份很多,電壓也很雜亂，這時(shí)候就需要注意相對減小高頻回路地線(xiàn)的長(cháng)度，以減小共模噪聲。 

2.6屏蔽的應用 

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(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)�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：隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過(guò)寄生電容耦合到次邊。 對于變壓器的漏感，可以通過(guò)三明治繞法等改變工藝結構改善，也可以通過(guò)改變變壓器性能設計來(lái)減小，對于變壓器繞組的分布電容可以通過(guò)改進(jìn)繞制工藝和結構、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)，特別是對于某些已經(jīng)面世而為了提高市場(chǎng)競爭力選擇提高EMI要求作為突破口的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，改變變壓器性能設計肯定影響重大，而改變工藝結構也影響到生產(chǎn)甚至性能。屏蔽是生產(chǎn)延續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(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，屏蔽體對電磁干擾的抑制能力越強，如式（6）表示[2]。 

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(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）：(遠場(chǎng)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(zhì)關(guān)系很大，電場(chǎng)波的屏蔽效能遠高于磁場(chǎng)波。

B：高頻：隨著(zhù)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，屏蔽體應盡量靠近電場(chǎng)輻射源，盡量遠離磁場(chǎng)輻射源。 

2.7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(xiàn)中流過(guò)電流時(shí)，它對低頻電流幾乎沒(méi)有什么阻抗，但對高頻電流會(huì )有較大的衰減作用。磁珠抑制能力與它的長(cháng)度成比例。不過(guò)磁珠的運用會(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減緩驅動(dòng)  

增大MOS管驅動(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，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(dòng)電阻，犧牲少許的效率來(lái)?yè)Q取輻射干擾達到EN55022 CLASS B指標。 

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)精心的設計，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)品的傳導和輻射指標分別滿(mǎn)足class A級和B級的要求，并能滿(mǎn)足最新的能源之星V的標準，圖3、圖4是該產(chǎn)品的EMI測試圖（產(chǎn)品通過(guò)了UL/CE認證）。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設計受到體積、熱設計和易生產(chǎn)性等方面的影響，可以發(fā)揮的空間已經(jīng)很小。需要設計人員從開(kāi)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(luò )設計，優(yōu)化變壓器設計，設計中期通過(guò)更改輸入EMI濾波器參數進(jìn)行現場(chǎng)調試，調試沒(méi)有效果的情況下通過(guò)增加磁珠，改變驅動(dòng)等犧牲其他性能的方式達到傳導和輻射指標。