開關電源的EMC詳解_開關電源電磁兼容EMC

開關電源的EMC詳解，電源工程師最怕的EMC,這樣分析，你還不懂開關電源的EMC么？

由于現在開關電源的速度越來越快，功率越來越高，密度越來越大，必然會產生干擾問題，我們就要解決這個干擾。干擾分為兩個方面，一個是干擾其他的電器產品，簡稱EMI(electromagnetic
interference)電磁干擾；另一個是被其他電器產品干擾，也叫抗干擾性，我們用EMS（electromagnetic
susceptibility）表示。因此，做電磁兼容，實際上是做這兩個部分，電磁兼容簡稱EMC（electromagnetic
compatibility），我們這里主要是討論EMC的問題。

電磁兼容從兩個方面去考慮：一方面，一般性產品都有電源引入線和產品本身的器件組成，做電磁兼容需要消除電源線上引入的外部噪音，以及電氣產品產生的噪音；另一方面，還要避免向外部發出噪音干擾，這樣在自己正常工作的同時也不影響別人。

一般來講，我們把輸入的無用信號，統稱為噪音。要想理解以上問題，我們需要知道什么叫噪音。最早的時候，由于電源發出一些聲響，我們把這樣的聲響稱為噪音，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，因此我們把凡是對器件本身無用的信號稱為噪音。

噪音按照傳播路徑來分，可以分為傳導噪音干擾，和空間噪音干擾。其傳導干擾，主要通過導體傳播。通過導電介質，把一個電網絡上的介質，耦合到另一個電網絡。那么這個更多的是由電場中電子運動引起的，因此它的頻譜帶寬并不高，在30M以下。另外一種，由于電子運轉速度越快和電流的變化速度越快產生了磁場，而磁場之間又是相互耦合，我們把這樣的現象稱為電磁場。電磁場由于頻譜較高，一般在30
Hz-30
ZHz,由于帶寬高，斜率陡，它更容易向空間輻射，我們把這樣的干擾稱為輻射干擾，所以解決EMC的問題是解決傳導干擾和輻射干擾這兩類問題。從技術角度來說是解決電場和電磁場問題。由于這些干擾對產品產生負面影響，甚至不能夠正常工作，所以我們盡可能消滅它。那么從原理來說，我們只要衰減這些信號波，干擾波，讓它們的破壞降低就可以了。從方法角度來說，我們一般用濾波器來進行衰減，甚至消除。那么傳導噪音干擾，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制和衰減。也可以采用雙絞線，或同軸電纜的方式。而空間輻射干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，一些產品上鍍一層導電漆來進行屏蔽。

綜上所述，電磁干擾分為傳導干擾，空間干擾；傳導干擾又分共模干擾和差模干擾，那么空間干擾又分輻射干擾和感應干擾；感應干擾又分電場耦合和磁場耦合

那么，構成干擾要有三要素，騷擾源，傳播途徑，敏感設備。騷擾源分兩種，一種是電場的騷擾源，一種是磁場的騷擾源。

干擾示意圖

在電路設計中如何解決共模干擾和差模干擾？

上文提到的傳導噪音干擾，又分為差模干擾和共模干擾兩種。差模干擾是指兩條電源線之間（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制和衰減。共模干擾則是兩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制和衰減。我們常用的低通濾波器，一般會同時具有抑制共模和差模干擾的功能。

如圖1，3為差模電容，2為共模電感，4為共模電容

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根線之間的信號差，因此而得名。一般這兩個電容的取值在0.22
uf-1.5 uf。在出現干擾超標的時候，一般解決方法是把這兩個電容的值加大，但隨著電容容值加大，會導致漏電流加大，這點需要注意。

2為共模電感，這個上面有兩根獨立的線圈，方向相反的繞制在同一個圓形閉合的磁芯上，當有差分信號通過時，由于這兩根導線大小相等，反向相反，因此產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為共模電容，這兩個電容由于分別連接著L和N兩根線且對地的，呈Y型狀，因此而得名。它們的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大，越容易解決干擾問題，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，電流在同相位繞制的電感線圈中產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，由于共模電流的同向性，會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現為高阻抗，產生較強的阻尼效果，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，因為共模電感兩邊繞線不一致等原因，電感必定不會相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴重，就要追加差模線圈。

差模干擾：簡單的說就是線對線的干擾。

如圖，我們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。

差模干擾產生的原因

差模干擾中的干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，開關電源，可控硅等，他們在電源線上所產生的干擾就是差模干擾

如何影響設備。

差模干擾直接作用在設備兩端的，直接影響設備工作，甚至破壞設備。（表現為尖峰電壓，電壓跌落及中斷。）

如何濾除差模干擾

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后，線圈里面的磁通是增強的，相當于兩個磁通之和。線圈特性
低頻率低阻抗高頻率高阻抗
決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50Hz時，線圈阻抗接近于0，相當于一根導線，不起任何衰減作用。

當頻率為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50歐。

根據上面公司，此時差模線圈分得了99%的差模干擾電壓。而負載只分得了1%的差模干擾電壓。

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

短路掉差模干擾。（如下圖所示：）

當頻率為50Hz時，電容阻抗趨近于無窮大，相當于短路，不起任何衰減作用。

當頻率為500k
Hz時，電容阻抗很小，根據上式可以看到，差模復雜的電流衰減為趨近于0。

如當頻率為500k
Hz時，負載50歐，容抗0.05歐

此時電容分得了99.9%的差模干擾電流，而負載只分得了0.1%的差模干擾電流。

也就是說500k
Hz 時，電容使得差模干擾下降了30dB.

共模：就是同時對地的干擾

如圖，我們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

共模干擾產生的原因很多，主要原因有以下幾點。

電網串入共模干擾電壓。
輻射干擾（如雷擊，設備電弧，附近電臺，大功率輻射源）在心啊后線上感應出共模干擾。（原理是
交變的磁場產生交變的電流，猶豫地線，零線回路面積與地線
火線回路面積不相同，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干擾
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，這種共模干擾可為直流，亦可為交流。如圖