電源輸入端口的電磁兼容設(shè)計(jì)

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾（EMD）源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號會(huì)變得更加強(qiáng)烈和復(fù)雜。

本文從開關(guān)電源的工作原理出發(fā)，探討抑制傳導(dǎo)干擾的EMI濾波器的設(shè)計(jì)以及對輻射EMI的抑制。

數(shù)字設(shè)備中的邏輯關(guān)系是用脈沖信號來表示的。為便于分析，把這種脈沖信號適當(dāng)簡化，用圖1所示的脈沖串表示。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的方法，可用式（1）計(jì)算出信號所有各次諧波的電平。

An=2Vo

（1）

n=1，2，3…

式中：An為脈沖中第n次諧波的電平；

Vo為脈沖的電平；

T為脈沖串的周期；

tw為脈沖寬度；

tr為脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

開關(guān)電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個(gè)高電壓、大電流的受控脈沖信號源。假定某PWM開關(guān)電源脈沖信號的主要參數(shù)為：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，則其諧波電平如圖2所示。

圖2中開關(guān)電源內(nèi)脈沖信號產(chǎn)生的諧波電平，對于其他電子設(shè)備來說即是EMI信號，這些諧波電平可以從對電源線的傳導(dǎo)干擾（頻率范圍為0.15～30MHz）和電場輻射干擾（頻率范圍為30～1000MHz）的測量中反映出來。

在圖2中，基波電平約160dBμV，500MHz約30dBμV，所以，要把開關(guān)電源的EMI電平都控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)，是有一定難度的。

當(dāng)開關(guān)電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0.15～30MHz）表現(xiàn)在電源線上時(shí)，稱之為傳導(dǎo)干擾。要抑制傳導(dǎo)干擾相對比較容易，只要使用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，就能將其在電源線上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)。

要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個(gè)原則也是設(shè)計(jì)抑制開關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。

幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模噪音和差模噪音，開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示。

圖中：差模抑制電容Cx1，Cx2    0.1～0.47μF；

差模抑制電感L1，L2      100～130μH；

共模抑制電容Cy1，Cy2    <10000pF；

共模抑制電感L          15～25mH。

設(shè)計(jì)時(shí)，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即

f=

<10kHz

在實(shí)際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI試驗(yàn)后才能有滿意的結(jié)果，安裝濾波電路時(shí)一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。

開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主，在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感。常采用如圖4所示的濾波電路，可使開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾下降了近30dB，比CISOR22標(biāo)準(zhǔn)的限值低了近6dB以上。

還有一個(gè)設(shè)計(jì)原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高，只要達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。