1、i本科毕业论文（20 届）开关电源的电磁兼容性研究所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期ii开关电源的电磁兼容性研究目 录第一章 绪论 .1.1 开关电源 EMC 研究现状 .1.2 电磁兼容国际和国内标准 .第二章 电磁干扰（EMI）原理 .2.1 开关电源电磁干扰产生的机理 .2.2 电磁干扰源 .2.3 电磁干扰的耦合途径 .第三章 开关电源传导干扰仿真分析 .3.1 Multisim 仿真软件的特点 .3.2 开关电源传导仿真及分析 .3.3 抑制开关电源传导干扰仿真及分析 .第四章 开关电源电磁干扰的抑制措施 .4.1 电路措施 .4.2 元器件的选择 .4.3 屏蔽
2、 .4.4 PCB 抗干扰设计 .4.5 带有无源共模抑制电路的仿真电路 .结 论 .参考文献 .致 谢 .iii【摘要】：电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。论文的主要内容包括以下几个方面：系统地调研和分析了电磁兼容的概念、电磁兼容的研究内容及其国内外的研究现状和研究领域，对电磁兼容做了进一步的认识。对电磁干扰机理进行了初步的研究。从电路选择、元器件选择、屏蔽、印刷电路板抗干扰等几个方面，对开关电源电磁干扰的抑制措施进行了分析讨论。【关键词】：开关电源；电磁兼容；抑制；仿真Abstract: Electromagnetic c
3、ompatibility, being refer to the equipment or system that can work normally in its electromagnetic environment and anything in the environment cant afford to have the ability of electromagnetic interference. The main contests are the following: the concept of EMC, the researched content of EMC, the
4、current research in domestic and foreign, and it will made depth comprehension to EMC. It studies electromagnetic interference mechanism deeply. And it also makes a preliminary study on the mechanism of electromagnetic interference. It will make a discussion and analyze of switch power supply EMI su
5、ppression measures from the selection of the circuit, components ,and technique of shielding, the ability of anti-jamming that the PCB own. Key words:Switching power supply,electromagnetic compatibility;inhibition; simulation第一章 绪论电源是电子设备的重要组成部分，电源设备的供电质量及其可靠性直接影响到整个电子设备的质量。随着电子技术的高速发展，电子、电器设备系统获得了越
6、来越广泛的应用，从而使电磁环境日益复杂。开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、稳压范围宽等特点，因此被广泛用于通信设备、自动控制、家用电器、计算机等电子设备中。而且，开关电源采用更高开关频率的功率管代替工频变压器，并采用软开关、功率因数补偿等技术使得其体积小、重量轻、效率更高，在中小功率的市场已经代替了线性稳压电源的地位。但是，开关电源自身会产生较强的电磁干扰（EMI） 。这些电磁干扰随着开关电源开关频率的提高、输出功率的增大而明显的增强，经传导和辐射会污染周围电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰，影响周围电子设备的正常运行。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，减少和抑制开
7、关电源的电磁辐射，提高电子产品的质量，使之符合各国强制性产品认证，而开关电源的电磁兼容问题更是受到重视。1.1 开关电源 EMC 研究现状随着功率半导体和电力电子系统的快速增长和普及，电源系统的干扰水平在强度和发生频率方面显着增加。图 1-1 显示了各种频率成分的高频(HF)干扰。电力电子系统最关注的电磁干扰现象是传导性干扰，频率范围从 150kHz 至 30MHz(CISPR22)。 316HZ 50HZ 1250HZ 2KHZ 20KHZ 150KHZ 30MHZ 300MHZ 1GHZ图 1-1 电磁干扰的频谱分类在过去的是十多年里，电力电子系统已稳步走向一体化，模块化、标准化和平坦化。
8、减小体积，重量和成本前提下改善电气和热性能，主要通过优化半导体元件和电路拓扑结构，提高开关频率、先进的封装和集成技术来完成的。虽然，较高的开关频率有助于在一定程度上降低开关变换器的体积、重量和成本，但同时也增加了 EMI 问题。先进的封装和集成技术使得更多的元器件挤在一个狭小的空间成为可能,同时更多关于电磁干扰的考虑需要从功声音噪声分谐波 谐波传导射频噪声分布辐射噪声分布率电路设计入手。在已发表的有关电力电子电磁干扰问题的大量论文中，估计有一半是研究开关电源中的电磁干扰问题。这是因为开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，功率开关管的高速开关动作，难免要引起严重的电磁干扰。但是
9、与数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不高，所以开关电源呈现出不同于数字电路的电磁干扰特性。它们主要为：（1）作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度大；（2）干扰源主要集中在功率开关器件以及与之连接的散热器和高频变压器，相对与数字电路干扰源的位置较为清楚；（3）开关频率不高，一般从几十千赫兹到数兆之间，主要形式是传导干扰和近场干扰；（4）印刷电路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，这增加了 PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的 EMC 性能指标直接关系到推向市场的时间及销量。因此，近年来
10、国内对开关电源的电磁研究越来越重视，各公司纷纷改进生产技术以适应新的电磁兼容标准，以方便打开海外市场，与国际接轨。同时，避开贸易壁垒。1.2 电磁兼容国际和国内标准目前，国外制定的电磁兼容性标准已达上百种。具有代表性的有 1.“电磁兼容性名词术语” （IEC50-161)，2.“电磁干扰特性的测量 ”（MIL-STD-462） ，3.“系统电磁兼容性要求”（MIL-E-6051D)，4.还有无线电干扰特别委员会制定的“无线电干扰和抗扰度测试设备和测量方法规范” （CISRR16-1_1993 ） 。我国也已陆续制定了有关的国家标准和军用标准，例如“电磁兼容术语” （GB/T4365-1995）
11、 ， “电磁干扰和电磁兼容性术语 ”（GJB72-85） ， “无线电干扰和抗扰度测量设备规范” （GB/T6113-1995） ， “电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值” （GB4343-84） 。这些标准的颁布，为实现电磁兼容性奠定了基础。 4第二章 电磁干扰（EMI）原理EMI 产生的影响在特征和大小上是极其不一样的，影响范围十分广泛，可从简单的噪声烦扰到巨大的灾难。要消除设备在设计和生产之后发生的 EMI 问题，通常费用昂贵，并会导致生产计划延误，有可能影响到新产品的验收。最好的方法是在设备的设计阶和研制阶段，就遵循优良的 EMC 技术工艺惯例。开关电源（ S
12、witch Mode Power Supply）本身是一个很大的噪声源，在它不断的向高频化、小型化发展过程中，其噪声影响也在增大。有 EMI 就必然有干扰源、耦合途径以及对电磁干扰发生响应的电路、装置或系统。因此要想达到兼容，需要消除干扰源，或削弱它的强度；移除耦合途径，或减少耦合度；精心设计受扰设备的选择性并且提高其抗干扰能力。2.1 开关电源电磁干扰产生的机理2.1.1 基本的整流器整流过程基本的整流器的整流过程是产生电磁干扰的最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源，已不再是单一频率的电流。根据 Fourier 级数，此电流波可分解成直流分量和一系列频率为基波频率整数
13、倍的不同的正弦量之和，即基波分量与不同次数的谐波分量之和。实验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰辐射干扰。这一方面使接在其前段电源线上的电流波形发生畸变；另一方面，通过电源线产生射频干扰。2.1.2 开关管的工作过程开关管的负载一般是高频变压器或储能电感。在开关管导通的瞬间，初级线圈产生很大的浪涌电流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压。而在开关管段断开的瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部份能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。由于开关通断而带来的电压中断
14、会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，由此产生的噪声会传导到输入、输出端，形成传导干扰，重者可能击穿开关管。开关电源使用的元件参数均会造成瞬间短路，产生大的短路电流，而凡有短路电流的导线及该电流流经的变压器和电感产生的电磁场都可形成干扰源。2.1.3 整流二极管的反向恢复过程在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容有关。其中，能反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十兆赫。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于 PN 结
15、中较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt) 。2.1.4 高频变压器开关电源中的高频变压器用作隔离和变压。但在高频的情况下，它的隔离是很不完全的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式通过变压器传导到交流电源中形成传导干扰。此外，变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成干扰。2.2 电磁干扰源电磁干扰源是电磁兼容三因素的首要因素。存在干扰源不一
16、定必然发生 EMI，但是它潜藏着发生干扰和兼容的两种可能性。环境中的电磁干扰源分为自然和人为两种。雷电是一种主要的自然干扰源，另外自然干扰源还包括宇宙干扰，例如太阳噪声、大气干扰、尘埃、冰雹等，热噪声例如电阻热噪声等。人为干扰源主要是设备中的电压或者电流的变化。人为干扰源主要存在于工业、交通和商业环境中。大部分人为干扰源都是无意发生的，它们通常伴随着用电设备实现某种电能转换功能而产生，因此企图完全消除干扰源的存在，往往是极其困难的，甚至是不可能办到的。可以容忍它存在，但是必须把它限制在不影响到其他设备正常工作的范围内。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元器件上，突出表现为功率开关
17、管、二极管、高频变压器等。2.3 电磁干扰的耦合途径在电磁兼容设计过程中要从电磁干扰产生的三个条件着手。其中，移除干扰源是最彻底消除干扰的办法。但受条件限制，一般难以达到目的，只能从切断耦合合途径，改善受害设备自身的设计来降低干扰程度来达到目的。耦合是干扰源与受害设备之间的通道。一般来说，切断通道是降低或消除电磁干扰电子设备的最常用手段，也是最有效的办法。其最大的优点是主动权掌握在设计者手中。耦合途径有：传导耦合、辐射耦合、感应耦合、共阻抗耦合以及它们之间的组合。2.3.1 传导耦合传导是干扰源与敏感设备之间的主要干扰耦合途径之一。传导干扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。在
18、低频时，由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗，故电流注入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时，就可能产生干扰作用。在高频时，导体的电感和电容将不可忽略。此时电抗值将随频率而变化；感抗随频率增加而增加，容抗随频率增加而减小。在无线电频率范围内，长电缆上的干扰传播，应按传输线特性来考虑，而不能按集总电路元件来考虑。解决传导藕合的方法是防止导线感应噪声，即采用适当的屏蔽和将导线分离，或者在干扰进敏感电路之前，用滤波方法从导线上除去噪声。 2传导耦合包括通过导体之间的电容及互感形成的干扰耦合。2.3.2 辐射耦合辐射电磁场是干扰耦合的另一种方式，除了从源有意辐射之外，还有无意辐射，
19、例如有短单极天线作用的线路和电缆，或起小天线作用的线路和电缆，都可能辐射电磁场。对于辐射耦合，近场和原厂的概念是非常重要的。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可写为 公式(2.1) 中， r、 为球坐标；I 为天线电流，dl 为短单极天线长度；r 为天线至场点的距离； 角频率； 为空气介电常数；k=2 /。当 kr1,即 r时，称为远场，这时由此可见，H 和 E 正比于 1/r,而波阻抗此外，对于小环天线，也可以得到类似公式。但近场时，E 正比于 1/r2 ,H 正比于 1/r3 ,而波阻抗为感性低阻抗，与 r 成正比。小环天线的近场又称低阻抗场，以磁场为主。小环天线称为低电压、大电流低阻抗
20、源。其远场与单极天线相同，H 和 E 正比于 1/r ,而波阻抗。370Z2.3.3 感应耦合感应耦合是导体之间以及某些部件(例如变压器、继电器、电感器)之间的主要干扰耦合方式之一。它可分为电感应耦合和磁感应耦合两种。020ZjZrHE (2.3)37/00Z(2.4)jkrrelIjHsind21j0(2.5)(2.6)rHEjZ20(2.7)(2.8)3700ZZkHE（1）电感应(容性)耦合源电路上的电压可产生电力线，它与敏感电路相互作用后，就出现电感应(容性)耦合。感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。图 2-1 简单地描述了两个导线间的容性耦合。假设导线 1 上的电压
21、 Ul 为干扰源电压，而导线 2 为受影响的电路(即敏感电路)，则导线 2 和地之间产生的噪声电压认，可用下式表示当 时，则相当于产生一个幅度为 的电流源。所以，容性耦合可以用连接在导线 2 与12UjwCIn地之间的电流源 In 来模拟。图2-1 两个导线之间容性耦合上式是研究、讨论两导线间容性耦合的最重要的公式。它表明噪声电压直接正比于干扰源的频率（w=2f） 、敏感电路到地的电阻 R、导线1和导线2间的电容 C12以及电压 U1。假定干扰源的电压和频率恒定，减少容性耦合则可以归结为减少如下两个参数：1.使敏感电路在较低的电阻值上工作；2.减少电容 C12 ,而电容 C12 的减少又可以通过导线本身的方向性、屏蔽或分割来实现，进而达到减少导线2上感应电压的目的。导线Un接地)(12gCjwR 1)(/12g2UUCRjwn (2.9)12Rjn（2.10）1 2
