開關電源的EMC詳解_開關電源電磁兼容EMC

開關(guan) 電源的EMC詳解，電源工程師最怕的EMC,這樣分析，你還不懂開關(guan) 電源的EMC麽(me) ？

由於(yu) 現在開關(guan) 電源的速度越來越快，功率越來越高，密度越來越大，必然會(hui) 產(chan) 生幹擾問題，我們(men) 就要解決(jue) 這個(ge) 幹擾。幹擾分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 方麵，一個(ge) 是幹擾其他的電器產(chan) 品，簡稱EMI(electromagnetic
interference)電磁幹擾；另一個(ge) 是被其他電器產(chan) 品幹擾，也叫抗幹擾性，我們(men) 用EMS（electromagnetic
susceptibility）表示。因此，做電磁兼容，實際上是做這兩(liang) 個(ge) 部分，電磁兼容簡稱EMC（electromagnetic
compatibility），我們(men) 這裏主要是討論EMC的問題。

電磁兼容從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方麵去考慮：一方麵，一般性產(chan) 品都有電源引入線和產(chan) 品本身的器件組成，做電磁兼容需要消除電源線上引入的外部噪音，以及電氣產(chan) 品產(chan) 生的噪音；另一方麵，還要避免向外部發出噪音幹擾，這樣在自己正常工作的同時也不影響別人。

一般來講，我們(men) 把輸入的無用信號，統稱為(wei) 噪音。要想理解以上問題，我們(men) 需要知道什麽(me) 叫噪音。最早的時候，由於(yu) 電源發出一些聲響，我們(men) 把這樣的聲響稱為(wei) 噪音，但是實際上人耳接受頻段的能力是有限的，2Hz-2KHz。實際上更多的頻段的信息（無用信號）是人耳聽不見的，因此我們(men) 把凡是對器件本身無用的信號稱為(wei) 噪音。

噪音按照傳(chuan) 播路徑來分，可以分為(wei) 傳(chuan) 導噪音幹擾，和空間噪音幹擾。其傳(chuan) 導幹擾，主要通過導體(ti) 傳(chuan) 播。通過導電介質，把一個(ge) 電網絡上的介質，耦合到另一個(ge) 電網絡。那麽(me) 這個(ge) 更多的是由電場中電子運動引起的，因此它的頻譜帶寬並不高，在30M以下。另外一種，由於(yu) 電子運轉速度越快和電流的變化速度越快產(chan) 生了磁場，而磁場之間又是相互耦合，我們(men) 把這樣的現象稱為(wei) 電磁場。電磁場由於(yu) 頻譜較高，一般在30
Hz-30
ZHz,由於(yu) 帶寬高，斜率陡，它更容易向空間輻射，我們(men) 把這樣的幹擾稱為(wei) 輻射幹擾，所以解決(jue) EMC的問題是解決(jue) 傳(chuan) 導幹擾和輻射幹擾這兩(liang) 類問題。從(cong) 技術角度來說是解決(jue) 電場和電磁場問題。由於(yu) 這些幹擾對產(chan) 品產(chan) 生負麵影響，甚至不能夠正常工作，所以我們(men) 盡可能消滅它。那麽(me) 從(cong) 原理來說，我們(men) 隻要衰減這些信號波，幹擾波，讓它們(men) 的破壞降低就可以了。從(cong) 方法角度來說，我們(men) 一般用濾波器來進行衰減，甚至消除。那麽(me) 傳(chuan) 導噪音幹擾，一般可以通過設計濾波電路，或者增加濾波器的方法來進行抑製和衰減。也可以采用雙絞線，或同軸電纜的方式。而空間輻射幹擾則主要通過密封屏蔽技術在結構上實行電磁屏蔽。比如說可以用帶屏蔽層的電源線，結構上可以用電源罩。比如筆記本電腦上采用屏蔽貼，一些產(chan) 品上鍍一層導電漆來進行屏蔽。

綜上所述，電磁幹擾分為(wei) 傳(chuan) 導幹擾，空間幹擾；傳(chuan) 導幹擾又分共模幹擾和差模幹擾，那麽(me) 空間幹擾又分輻射幹擾和感應幹擾；感應幹擾又分電場耦合和磁場耦合

那麽(me) ，構成幹擾要有三要素，騷擾源，傳(chuan) 播途徑，敏感設備。騷擾源分兩(liang) 種，一種是電場的騷擾源，一種是磁場的騷擾源。

幹擾示意圖

在電路設計中如何解決(jue) 共模幹擾和差模幹擾？

上文提到的傳(chuan) 導噪音幹擾，又分為(wei) 差模幹擾和共模幹擾兩(liang) 種。差模幹擾是指兩(liang) 條電源線之間（wire
to
wire）的，主要通過選擇合適的電容（X電容，也稱安規電容），和差模線圈來進行抑製和衰減。共模幹擾則是兩(liang) 條電源線分別對大地（簡稱線對地）的，主要通過選擇合適的電容（Y電容，也是安規級別的），和共模線圈來進行抑製和衰減。我們(men) 常用的低通濾波器，一般會(hui) 同時具有抑製共模和差模幹擾的功能。

如圖1，3為(wei) 差模電容，2為(wei) 共模電感，4為(wei) 共模電容

1，2，3共同組成的叫π型濾波器，1，3組成的電容主要是濾兩(liang) 根線之間的信號差，因此而得名。一般這兩(liang) 個(ge) 電容的取值在0.22
uf-1.5 uf。在出現幹擾超標的時候，一般解決(jue) 方法是把這兩(liang) 個(ge) 電容的值加大，但隨著電容容值加大，會(hui) 導致漏電流加大，這點需要注意。

2為(wei) 共模電感，這個(ge) 上麵有兩(liang) 根獨立的線圈，方向相反的繞製在同一個(ge) 圓形閉合的磁芯上，當有差分信號通過時，由於(yu) 這兩(liang) 根導線大小相等，反向相反，因此產(chan) 生的磁場相互抵消了。共模電感的感量選型一般在幾百微亨到幾毫亨級別。4為(wei) 共模電容，這兩(liang) 個(ge) 電容由於(yu) 分別連接著L和N兩(liang) 根線且對地的，呈Y型狀，因此而得名。它們(men) 的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大，越容易解決(jue) 幹擾問題，但是漏電也越大，取值要甚重。

當電路中的正常電流流經共模電感時，電流在同相位繞製的電感線圈中產(chan) 生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經線圈時，由於(yu) 共模電流的同向性，會(hui) 在線圈內(nei) 產(chan) 生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現為(wei) 高阻抗，產(chan) 生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

一般
濾波器不單獨使用差模線圈，因為(wei) 共模電感兩(liang) 邊繞線不一致等原因，電感必定不會(hui) 相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模幹擾比較嚴(yan) 重，就要追加差模線圈。

差模幹擾：簡單的說就是線對線的幹擾。

如圖，我們(men) 可以看到差模的原理圖。UDM
就是差模電壓，IDM
就是差模電流。IDM
大小相同，方向相反。

差模幹擾產(chan) 生的原因

差模幹擾中的幹擾是起源在同一電源線路之中（直接注入）。如同一線路中工作的電機，開關(guan) 電源，可控矽等，他們(men) 在電源線上所產(chan) 生的幹擾就是差模幹擾

如何影響設備。

差模幹擾直接作用在設備兩(liang) 端的，直接影響設備工作，甚至破壞設備。（表現為(wei) 尖峰電壓，電壓跌落及中斷。）

如何濾除差模幹擾

主要采用差模電感和差模電容。

差模電感的工作原理：

可以看到，當電流流過差模線圈之後，線圈裏麵的磁通是增強的，相當於(yu) 兩(liang) 個(ge) 磁通之和。線圈特性
低頻率低阻抗高頻率高阻抗
決(jue) 定了在高頻時利用它的高阻抗衰減差模信號。（如圖下圖所示）

當頻率為(wei) 50Hz時，線圈阻抗接近於(yu) 0，相當於(yu) 一根導線，不起任何衰減作用。

當頻率為(wei) 500k
Hz時，阻抗達到5k
歐，而理想狀態下，此時負載阻抗一般考慮為(wei) 50歐。

根據上麵公司，此時差模線圈分得了99%的差模幹擾電壓。而負載隻分得了1%的差模幹擾電壓。

同時，電流也有很大的衰減。（可以算出此時線圈的差模插入損耗）

差模電容工作原理：

可以看到：

電容特性
低頻率高阻抗
高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時它的低阻

短路掉差模幹擾。（如下圖所示：）

當頻率為(wei) 50Hz時，電容阻抗趨近於(yu) 無窮大，相當於(yu) 短路，不起任何衰減作用。

當頻率為(wei) 500k
Hz時，電容阻抗很小，根據上式可以看到，差模複雜的電流衰減為(wei) 趨近於(yu) 0。

如當頻率為(wei) 500k
Hz時，負載50歐，容抗0.05歐

此時電容分得了99.9%的差模幹擾電流，而負載隻分得了0.1%的差模幹擾電流。

也就是說500k
Hz 時，電容使得差模幹擾下降了30dB.

共模：就是同時對地的幹擾

如圖，我們(men) 可以看到共模的原理圖，UPQ
就是共模電壓，ICM1
ICM2就是共模電流。ICM1
ICM2大小不一定相同，方向相同

共模幹擾產(chan) 生的原因很多，主要原因有以下幾點。

電網串入共模幹擾電壓。
輻射幹擾（如雷擊，設備電弧，附近電台，大功率輻射源）在心啊後線上感應出共模幹擾。（原理是
交變的磁場產生交變的電流，猶豫地線，零線回路麵積與地線
火線回路麵積不相同，兩個回路阻抗不通等原因造成電流大小不同）
接地電壓不一樣，也就是說電位差異引入共模幹擾
也包括設備內部電線
對電源線的影響。

如何影響設備

共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電供電室。變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電流可轉換成差模電壓，直接影響測控信號。造成元器件損壞，這種共模幹擾可為(wei) 直流，亦可為(wei) 交流。如圖