开关电源的EMC详解_开关电源电磁兼容EMC

开关电源的EMC详解，电源工程师最怕的EMC,这样分析，你还不懂开关电源的EMC么？

由于现在开关电源的速度越来越快，功率越来越高，密度越来越大，必然会产生干扰问题，我们就要解决这个干扰。干扰分为两个方面，一个是干扰其他的电器产品，简称EMI(electromagnetic
interference)电磁干扰；另一个是被其他电器产品干扰，也叫抗干扰性，我们用EMS（electromagnetic
susceptibility）表示。因此，做电磁兼容，实际上是做这两个部分，电磁兼容简称EMC（electromagnetic
compatibility），我们这里主要是讨论EMC的问题。

电磁兼容从两个方面去考虑：一方面，一般性产品都有电源引入线和产品本身的器件组成，做电磁兼容需要消除电源线上引入的外部噪音，以及电气产品产生的噪音；另一方面，还要避免向外部发出噪音干扰，这样在自己正常工作的同时也不影响别人。

一般来讲，我们把输入的无用信号，统称为噪音。要想理解以上问题，我们需要知道什么叫噪音。最早的时候，由于电源发出一些声响，我们把这样的声响称为噪音，但是实际上人耳接受频段的能力是有限的，2Hz-2KHz。实际上更多的频段的信息（无用信号）是人耳听不见的，因此我们把凡是对器件本身无用的信号称为噪音。

噪音按照传播路径来分，可以分为传导噪音干扰，和空间噪音干扰。其传导干扰，主要通过导体传播。通过导电介质，把一个电网络上的介质，耦合到另一个电网络。那么这个更多的是由电场中电子运动引起的，因此它的频谱带宽并不高，在30M以下。另外一种，由于电子运转速度越快和电流的变化速度越快产生了磁场，而磁场之间又是相互耦合，我们把这样的现象称为电磁场。电磁场由于频谱较高，一般在30
Hz-30
ZHz,由于带宽高，斜率陡，它更容易向空间辐射，我们把这样的干扰称为辐射干扰，所以解决EMC的问题是解决传导干扰和辐射干扰这两类问题。从技术角度来说是解决电场和电磁场问题。由于这些干扰对产品产生负面影响，甚至不能够正常工作，所以我们尽可能消灭它。那么从原理来说，我们只要衰减这些信号波，干扰波，让它们的破坏降低就可以了。从方法角度来说，我们一般用滤波器来进行衰减，甚至消除。那么传导噪音干扰，一般可以通过设计滤波电路，或者增加滤波器的方法来进行抑制和衰减。也可以采用双绞线，或同轴电缆的方式。而空间辐射干扰则主要通过密封屏蔽技术在结构上实行电磁屏蔽。比如说可以用带屏蔽层的电源线，结构上可以用电源罩。比如笔记本电脑上采用屏蔽贴，一些产品上镀一层导电漆来进行屏蔽。

综上所述，电磁干扰分为传导干扰，空间干扰；传导干扰又分共模干扰和差模干扰，那么空间干扰又分辐射干扰和感应干扰；感应干扰又分电场耦合和磁场耦合

那么，构成干扰要有三要素，骚扰源，传播途径，敏感设备。骚扰源分两种，一种是电场的骚扰源，一种是磁场的骚扰源。

干扰示意图

在电路设计中如何解决共模干扰和差模干扰？

上文提到的传导噪音干扰，又分为差模干扰和共模干扰两种。差模干扰是指两条电源线之间（wire
to
wire）的，主要通过选择合适的电容（X电容，也称安规电容），和差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线分别对大地（简称线对地）的，主要通过选择合适的电容（Y电容，也是安规级别的），和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常用的低通滤波器，一般会同时具有抑制共模和差模干扰的功能。

如图1，3为差模电容，2为共模电感，4为共模电容

1，2，3共同组成的叫π型滤波器，1，3组成的电容主要是滤两根线之间的信号差，因此而得名。一般这两个电容的取值在0.22
uf-1.5 uf。在出现干扰超标的时候，一般解决方法是把这两个电容的值加大，但随着电容容值加大，会导致漏电流加大，这点需要注意。

2为共模电感，这个上面有两根独立的线圈，方向相反的绕制在同一个圆形闭合的磁芯上，当有差分信号通过时，由于这两根导线大小相等，反向相反，因此产生的磁场相互抵消了。共模电感的感量选型一般在几百微亨到几毫亨级别。4为共模电容，这两个电容由于分别连接着L和N两根线且对地的，呈Y型状，因此而得名。它们的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大，越容易解决干扰问题，但是漏电也越大，取值要甚重。

当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。

一般
滤波器不单独使用差模线圈，因为共模电感两边绕线不一致等原因，电感必定不会相同，因此能起到一定的差模电感的作用。如果差模干扰比较严重，就要追加差模线圈。

差模干扰：简单的说就是线对线的干扰。

如图，我们可以看到差模的原理图。UDM
就是差模电压，IDM
就是差模电流。IDM
大小相同，方向相反。

差模干扰产生的原因

差模干扰中的干扰是起源在同一电源线路之中（直接注入）。如同一线路中工作的电机，开关电源，可控硅等，他们在电源线上所产生的干扰就是差模干扰

如何影响设备。

差模干扰直接作用在设备两端的，直接影响设备工作，甚至破坏设备。（表现为尖峰电压，电压跌落及中断。）

如何滤除差模干扰

主要采用差模电感和差模电容。

差模电感的工作原理：

可以看到，当电流流过差模线圈之后，线圈里面的磁通是增强的，相当于两个磁通之和。线圈特性
低频率低阻抗高频率高阻抗
决定了在高频时利用它的高阻抗衰减差模信号。（如图下图所示）

当频率为50Hz时，线圈阻抗接近于0，相当于一根导线，不起任何衰减作用。

当频率为500k
Hz时，阻抗达到5k
欧，而理想状态下，此时负载阻抗一般考虑为50欧。

根据上面公司，此时差模线圈分得了99%的差模干扰电压。而负载只分得了1%的差模干扰电压。

同时，电流也有很大的衰减。（可以算出此时线圈的差模插入损耗）

差模电容工作原理：

可以看到：

电容特性
低频率高阻抗
高频率低阻抗。滤波器利用电容在高频时它的低阻

短路掉差模干扰。（如下图所示：）

当频率为50Hz时，电容阻抗趋近于无穷大，相当于短路，不起任何衰减作用。

当频率为500k
Hz时，电容阻抗很小，根据上式可以看到，差模复杂的电流衰减为趋近于0。

如当频率为500k
Hz时，负载50欧，容抗0.05欧

此时电容分得了99.9%的差模干扰电流，而负载只分得了0.1%的差模干扰电流。

也就是说500k
Hz 时，电容使得差模干扰下降了30dB.

共模：就是同时对地的干扰

如图，我们可以看到共模的原理图，UPQ
就是共模电压，ICM1
ICM2就是共模电流。ICM1
ICM2大小不一定相同，方向相同

共模干扰产生的原因很多，主要原因有以下几点。

电网串入共模干扰电压。
辐射干扰（如雷击，设备电弧，附近电台，大功率辐射源）在心啊后线上感应出共模干扰。（原理是
交变的磁场产生交变的电流，犹豫地线，零线回路面积与地线
火线回路面积不相同，两个回路阻抗不通等原因造成电流大小不同）
接地电压不一样，也就是说电位差异引入共模干扰
也包括设备内部电线
对电源线的影响。

如何影响设备

共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电供电室。变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电流可转换成差模电压，直接影响测控信号。造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流，亦可为交流。如图