多路输出反激式电源电磁兼容问题研究

2.2 外部环境对开关电源的EMI

主要来自2个方面。

1）来自电网中各种高频谐波及瞬态噪声，主要以传导耦合方式进入开关电源并对电路正常工作进行干扰，通常也被称为瞬态干扰。

瞬态干扰表现为交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大，多在时域范围内对其描述和分析。在国际电工委员会制定的标准中，浪涌电压和振铃电压典型值峰值[5]为Vp=3000V。如果耦合到输入滤波电容，超过MOSFET源、漏极额定耐压值VDS(limit)，将会击穿MOS管或者通过变压器耦合到输出端造成其他危害。

2）作为大功率逆变器的一个子系统，辅助电源还会受到逆变器主功率电路发出的高频电磁噪声辐射。辐射能量很可能通过多种途径进入辅助电源，干扰电路正常工作。

3 EMC设计对策

在进行EMC设计时，考虑到反激式多路输出电源电磁干扰以及电源包括两组子系统的特点，EMC设计应贯穿于实验、设计、调试的始终，包括项目设计前预先考虑到的措施，实验中遇到问题后有针对性地采取的措施，以及经过比较的其它方案。

3.1 减弱差模辐射耦合

如图2所示，耦合途径为寄生磁耦合电感M通过干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通铰链而形成。设噪声磁场的磁通密度为B，穿过一个闭合面积为S的回路，则在该回路感生出干扰电压e，即

e=－(d∫BS)／dt(4)

式中：B和S均为矢量。

结合式（1）及式（4）容易推得，寄生磁耦合电感M与涉及的干扰回路面积S成正比例关系。在图2中，存在有较大的di/dt的回路主要包括变压器输入侧环路S0，二次侧环路S1和S2以及驱动环路S3。

仔细设计电路板走线，尽可能减小上述回路的围绕面积。将高频去耦电容Cd0尽量靠近变压器原边和MOS管，Cd1尽量靠近负载，以求减小围绕面积S0与S2，并且要求Cd0和Cd1是低ESR和低ESL的电容器。

电源输出端至负载的引线应尽可能地短，而且多路输出每一路都要使用双绞线，因为，相邻绞环中在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，这对电磁干扰起到较好的抑制作用。

3.2 减弱共模辐射耦合

参照图3，由式（2）可得，共模电流Icm1及Icm2的幅值与两电气节点①与②处dv/dt和对PE（安全地）的分布电容Cd1和Cd2的积成正比。图中节点①是MOS管漏极与变压器原边的连接点，节点②为变压器二次侧与输出二极管的连接点。共模电流辐射强度与共模电流围绕回路面积有关，也就是说，电磁辐射强度和电流环路面积成正比，这里环路面积用阴影面积表示。因此，减弱共模辐射耦合应从3个方面入手，即减小dv/dt；减小分布电容；减小共模电流环路面积。
 
节点①及②存在非常大的电压瞬变，因而在节点①及②处布线应当占用尽可能小的面积，以减小分布电容值。分布电容一般为pF级，因而在低频段（<1MHz）其阻抗影响非常显著，需要滤波器对共模电流进行衰减，共模扼流圈电感值一般取10～100mH。

装在MOS管上的散热器由于表面积很大，其对节点①的分布电容必须考虑。由图4可知，采用屏蔽方法将铜箔夹在散热器和MOS管之间，使原有分布电容Ck变成相互串联的Ck1和Ck2，从而减小了分布电容。散热器和变压器磁芯同样存在电压瞬变，将散热器和磁芯屏蔽分别就近与节点③及④连接，用以抑制散热器和磁芯的电压瞬变，并缩短共模电流的耦合路径。

3.3 减弱公共阻抗传导耦合

减弱公共阻抗传导耦合，就是仔细布线以避免两电气回路的公共阻抗部分。其中尤为重要的是地线的铺设，要遵循"模拟部分地和数字部分地分开，功率部分地和控制部分地分开"的原则在实际铺设中采取了"星状地"形式，如图5所示，避免使用环形地。所谓"星状地"是指不同回路地单独走线，最后汇集到一点O。O点通常是去耦电容或者滤波电容的阴极。比如在控制芯片周围，驱动回路的地单独从控制芯片的去耦电容（O1点）出发，连接到输入端滤波电容处（O2点），而MOS管源极功率部分引线也直接接入O2点。电压和电流反馈信号的地线均单独接入星状点O1。

图5中L1及L2分别为电压反馈和电流反馈的地线接入端。Cd1为控制（驱动）电路的电源去耦电容，Cd0为输入滤波电容。

3.4 减弱外部电磁场干扰

设计合理的EMI滤波器。EMI滤波器除能衰减开关电源对电网的EMI之外，还能够衰减电网引进的部分瞬态干扰。需要强调的是，增加安全地(PE)对衰减共模电流，抑制外界瞬态干扰十分必要。

如图6所示，在交流进线端并联高频CBB电容Ca（2.2nF）和压敏电阻(VSR)对瞬态电压进行箝位。

除了对电路采取局部屏蔽措施外，在调试过程中还使用了整体屏蔽罩，以降低辅助电源子系统对外界的电磁辐射干扰。接入屏蔽罩的输入、输出引线（屏蔽线）应当尽量短，并且要妥善接地。

作者：浙江大学电气工程学院　魏应冬　吴燮华   来源：电源技术应用