​开关电源EMI操作

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作者：志博硬件组

1.开关电源的EMI源

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。

（1）功率开关管

功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。

（2）高频变压器

高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。

（3）整流二极管

整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。

（4）PCB

准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。

2.开关电源EMI传输通道分类

（1）传导干扰的传输通道

• • 容性耦合
  • 感性耦合
  • 电阻耦合
    • 公共电源内阻产生的电阻传导耦合；
    • 公共地线阻抗产生的电阻传导耦合；
    • 公共线路阻抗产生的电阻传导耦合；
      
      
    
    
  
  

（2）辐射干扰的传输通道

• • 在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；
  • 没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；
  • 有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。
    
    
  
  

3.开关电源EMI抑制的9大措施

在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。

实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：

• • 尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；
  • 通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
    
    
  
  

分开来讲，9大措施分别是：

• 减小dv/dt和di/dt（降低其峰值、减缓其斜率）；
• 压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压；
• 阻尼网络抑制过冲；
• 采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI；
• 有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术；
• 采用合理设计的电源线滤波器；
• 合理的接地处理；
• 有效的屏蔽措施；
• 合理的PCB设计。
  
  

4.高频变压器漏感的控制

高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。

减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计。

• • 选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。
  • 减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。
  • 增加绕组间耦合度，减小漏感。
    
    
  
  

5.高频变压器的屏蔽

为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。

高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：

• • 用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；
  • 用“玻璃珠”（Glass beads）胶合剂粘结磁心，效果更好。