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開關電源中的電磁兼容問題難點（一）
日期：2024-10-19 07:31
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摘要： 盡管開關電源沒有作為一個大類產(chǎn)品出現(xiàn)在我國的強制性產(chǎn)品認證目錄中，但是在信息技術類設備提到的12種產(chǎn)品中，將計算機的內置電源和電源適配器與微型計算機、便攜式計算機、計算機連用的顯示設備、計算機連用的打印設備、多用途打印復印機、掃描儀、充電器、電腦游戲機、學習機、復印機、服務器、金融及貿(mào)易結算電子設備等一起列為強制認證的產(chǎn)品。
還有更多的電子設備，盡管在認證的實施細則中沒有直接提到開關電源的問題，但是在它的認證中（這里指的是廣義“認證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認證，但有“入網(wǎng)”認證要...
盡管開關電源沒有作為一個大類產(chǎn)品出現(xiàn)在我國的強制性產(chǎn)品認證目錄中，但是在信息技術類設備提到的12種產(chǎn)品中，將計算機的內置電源和電源適配器與微型計算機、便攜式計算機、計算機連用的顯示設備、計算機連用的打印設備、多用途打印復印機、掃描儀、充電器、電腦游戲機、學習機、復印機、服務器、金融及貿(mào)易結算電子設備等一起列為強制認證的產(chǎn)品。
還有更多的電子設備，盡管在認證的實施細則中沒有直接提到開關電源的問題，但是在它的認證中（這里指的是廣義“認證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認證，但有“入網(wǎng)”認證要求）都無一例外提到了要做電磁兼容性試驗。由于開關電源作為這些設備中與電網(wǎng)連接的關鍵部件，所以這些試驗都和開關電源的電磁兼容性有關。因此，無論開關電源是不是作為一個獨立產(chǎn)品參加強制產(chǎn)品認證，但作為電子設備與電網(wǎng)連接的一個首當其沖的部件，只要這個產(chǎn)品需要參加認證，那么開關電源都必須經(jīng)受電磁兼容性試驗。
迄今為止，開關電源電磁兼容性測試的國家標準尚未出臺，但是在參加強制性產(chǎn)品認證的信息技術設備類產(chǎn)品，在“機內開關電源的認證試驗項目一覽表”（國家認證認可監(jiān)督管理委員會頒布）中列出了3個電磁兼容測試項目，分別是0.15MHz ～ 30MHz 電源端傳導騷擾電壓測試；30MHz～1000MHz輻射騷擾場強測試；暫態(tài)諧波電流測試。十分明顯，這幾項試驗都是測試開關電源自身工作中所產(chǎn)生的電磁騷擾，分別是對射頻性質的傳導騷擾電壓和輻射騷擾場強測試；以及對電網(wǎng)污染的諧波電流測試。為了保證設備之間的電磁兼容性，對開關電源的這三項測試是適當?shù)?，也是必須的?/span>
關于開關電源認證中遇到的這些電磁兼容問題，都是近年開關電源業(yè)界討論的熱點，其中開關電源的諧波抑制的話題，在每年都有大量的文章見諸于技術雜志和書刊。而有關開關電源的傳導和輻射騷擾的抑制問題的談論則略見少些，為此，我在以前的電源工程師的聚會上曾經(jīng)就《開關電源的騷擾抑制問題》作過交流，著重說了一個開關電源的傳導騷擾抑制問題。這次則想重點介紹開關電源的輻射騷擾的抑制問題。
2. 開關電源的輻射騷擾限值
按GB9254-1998《信息技術設備無線電騷擾限值和測量方法》的要求。不同頻率范圍的A級和B級設備輻射騷擾限值見表1所示。
在標準中，限值是以測試距離為10m給出的，但試驗常常會在3m測量距離的實驗室進行，這時要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 來修正。舉例說， B 級設備在10m 處、在30 ～ 230 MHz 頻段內的限值為30dBμV/m ，而在3m測量距離的限值應修正為40dBμV/m ；同樣在230～1000MHz頻段內應修正為47dBμV /m。
3. 測試輻射騷擾發(fā)射的試驗配置
按照GB9254標準的要求，受試設備的輻射騷擾發(fā)射試驗在電波暗室中進行（圖1），基本的試驗儀器是兩件：接收天線和帶有準峰值檢波的干擾接收機。測試距離通常為3m。
4.開關電源的輻射騷擾抑制問題
開關電源的設計至今仍十分依賴實驗室的工作，采取先搭板試驗，再逐步調整的辦法。隨著產(chǎn)品復雜程度越來越高，使處理問題的難度也越來越大。*好的辦法是，設計人員對線路的工作要有一個預判，在搭板的過程中把其中的電磁兼容問題考慮在印刷線路板的布局和布線當中，相信對加快開關電源的開發(fā)過程會起到一個事半功倍的效果。
通常印刷線路板（泛指所有電子設備的印刷線路板）自身的電磁兼容問題與線路板里的電磁干擾源、干擾耦合路徑及受干擾的敏感部件有關系。
但是對開關電源這樣設備的電磁兼容問題，就不止是一個自身的電磁兼容問題，還有向外的騷擾發(fā)射問題，當然還有一個外界的電磁騷擾對開關電源的干擾問題。這里著重討論開關電源向外的騷擾發(fā)射問題，特別是輻射騷擾發(fā)射的問題。
我們知道，當傳輸線或印刷線路板里有射頻電流通過時，該電流從電流發(fā)生電路流出，到達負載后，還要通過返回路徑回到電流發(fā)生器，形成電流的閉合回路。電流在流過閉合回路時就會產(chǎn)生磁場。按照電磁場理論，伴隨磁場產(chǎn)生的同時，又會產(chǎn)生一個輻射的電場。通過電場和磁場的交互作用就形成了射頻輻射能量的產(chǎn)生與傳播。這就是印刷線板引起輻射干擾的主要原因。
這樣看來，消除印刷線路板中磁場的發(fā)生是消除電磁干擾源的主要手段，其中印刷線路板的布局和布線便成為印刷線路板設計的首要任務。在高頻開關電源的設計時這個問題尤其突出，因為開關電源是功率電路，高頻與大電流是開關電源產(chǎn)生電磁干擾的主要問題。
4.1 開關電源的輻射騷擾發(fā)生
圖2 是介紹在《開關電源的傳導騷擾抑制問題》時用于說明電源中電磁騷擾產(chǎn)生與耦合途徑的示意圖。
在開關電源工作時，初級逆變回路中的開關管Q處在高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T初級線圈、開關管Q和輸入濾波電容C8形成了一個高頻電流環(huán)路。這個環(huán)路的存在，就可能對空間形成電磁輻射。
開關電源在工作時，次級整流回路的D5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線圈、整流二極管D5和濾波電容C9構成了高頻開關電流的環(huán)路。由于有這個環(huán)路的存在，同樣也有可能對空間形成電磁輻射。
另外，初級回路中變壓器漏感的存在會加劇初級開關管電壓波形的變化，進而影響開關電源經(jīng)由開關管散熱器向外傳遞的共模電流的高頻成份，加劇輻射的共模發(fā)射。
而次級整流回路整流二極管在截止瞬間非常劇烈的電流變化，會在次級整流回路（因變壓器漏感和二極管結電容存在的回路）中產(chǎn)生高頻衰減振蕩，加劇了對外的差模輻射。
4.2 由“環(huán)天線”引起的電磁輻射
開關電源工作時，由于有初級逆變回路和次級整流回路兩個電流發(fā)生瞬變的環(huán)路存在，這樣，變化的電流必然會伴生一個變化的磁場。而變化的磁場又要產(chǎn)生一個電場。這種電場和磁場變化將會交替地產(chǎn)生，由近及遠、互相垂直、以光速在空間內傳播能量的形式，形成了開關電源電磁輻射的發(fā)射。
圖3是由初級逆變回路和次級整流回路中的差模電流所產(chǎn)生的輻射矢量示意圖。
其磁場強度H可近似用以下方程計算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
電場強度E可近似用以下方程計算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁場強度，單位A/m
Eφ是電場強度，單位V/m；
I是環(huán)中的電流，單位A；
A是環(huán)路的面積，單位m2；
r是計算點與環(huán)中心的距離，單位m；
f是頻率，單位Hz；
λ是頻率所對應的波長；
θ計算點與環(huán)中心垂直軸的夾角。
以上各式適用于自由空間的小型天線，且天線周圍沒有任何反射物體。
在電場強度E的計算公式中，**項是自由空間的傳輸特性；**項是輻射源的特性；第三項是輻射源向遠處傳輸時的電場衰減特性；*后一項是以輻射環(huán)平面中心垂直軸為參考，與測量天線方向的夾角。
由于大多數(shù)電子設備的輻射測量都不是在自由空間里進行，而是在地面開闊場上進行測量，地面的反射會使輻射發(fā)射的測量值增大，*大可達1倍。
考慮了地面反射的影響，則電場強度的*大發(fā)射表達式可改寫為：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模發(fā)射的水平。
利用此式還可以知道，若想減小環(huán)路天線的向外輻射，應該從減小電流、減小環(huán)路面積和降低工作頻率入手。
還有更多的電子設備，盡管在認證的實施細則中沒有直接提到開關電源的問題，但是在它的認證中（這里指的是廣義“認證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認證，但有“入網(wǎng)”認證要求）都無一例外提到了要做電磁兼容性試驗。由于開關電源作為這些設備中與電網(wǎng)連接的關鍵部件，所以這些試驗都和開關電源的電磁兼容性有關。因此，無論開關電源是不是作為一個獨立產(chǎn)品參加強制產(chǎn)品認證，但作為電子設備與電網(wǎng)連接的一個首當其沖的部件，只要這個產(chǎn)品需要參加認證，那么開關電源都必須經(jīng)受電磁兼容性試驗。
迄今為止，開關電源電磁兼容性測試的國家標準尚未出臺，但是在參加強制性產(chǎn)品認證的信息技術設備類產(chǎn)品，在“機內開關電源的認證試驗項目一覽表”（國家認證認可監(jiān)督管理委員會頒布）中列出了3個電磁兼容測試項目，分別是0.15MHz ～ 30MHz 電源端傳導騷擾電壓測試；30MHz～1000MHz輻射騷擾場強測試；暫態(tài)諧波電流測試。十分明顯，這幾項試驗都是測試開關電源自身工作中所產(chǎn)生的電磁騷擾，分別是對射頻性質的傳導騷擾電壓和輻射騷擾場強測試；以及對電網(wǎng)污染的諧波電流測試。為了保證設備之間的電磁兼容性，對開關電源的這三項測試是適當?shù)?，也是必須的?/span>
關于開關電源認證中遇到的這些電磁兼容問題，都是近年開關電源業(yè)界討論的熱點，其中開關電源的諧波抑制的話題，在每年都有大量的文章見諸于技術雜志和書刊。而有關開關電源的傳導和輻射騷擾的抑制問題的談論則略見少些，為此，我在以前的電源工程師的聚會上曾經(jīng)就《開關電源的騷擾抑制問題》作過交流，著重說了一個開關電源的傳導騷擾抑制問題。這次則想重點介紹開關電源的輻射騷擾的抑制問題。
2. 開關電源的輻射騷擾限值
按GB9254-1998《信息技術設備無線電騷擾限值和測量方法》的要求。不同頻率范圍的A級和B級設備輻射騷擾限值見表1所示。
在標準中，限值是以測試距離為10m給出的，但試驗常常會在3m測量距離的實驗室進行，這時要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 來修正。舉例說， B 級設備在10m 處、在30 ～ 230 MHz 頻段內的限值為30dBμV/m ，而在3m測量距離的限值應修正為40dBμV/m ；同樣在230～1000MHz頻段內應修正為47dBμV /m。
3. 測試輻射騷擾發(fā)射的試驗配置
按照GB9254標準的要求，受試設備的輻射騷擾發(fā)射試驗在電波暗室中進行（圖1），基本的試驗儀器是兩件：接收天線和帶有準峰值檢波的干擾接收機。測試距離通常為3m。
4.開關電源的輻射騷擾抑制問題
開關電源的設計至今仍十分依賴實驗室的工作，采取先搭板試驗，再逐步調整的辦法。隨著產(chǎn)品復雜程度越來越高，使處理問題的難度也越來越大。*好的辦法是，設計人員對線路的工作要有一個預判，在搭板的過程中把其中的電磁兼容問題考慮在印刷線路板的布局和布線當中，相信對加快開關電源的開發(fā)過程會起到一個事半功倍的效果。
通常印刷線路板（泛指所有電子設備的印刷線路板）自身的電磁兼容問題與線路板里的電磁干擾源、干擾耦合路徑及受干擾的敏感部件有關系。
但是對開關電源這樣設備的電磁兼容問題，就不止是一個自身的電磁兼容問題，還有向外的騷擾發(fā)射問題，當然還有一個外界的電磁騷擾對開關電源的干擾問題。這里著重討論開關電源向外的騷擾發(fā)射問題，特別是輻射騷擾發(fā)射的問題。
我們知道，當傳輸線或印刷線路板里有射頻電流通過時，該電流從電流發(fā)生電路流出，到達負載后，還要通過返回路徑回到電流發(fā)生器，形成電流的閉合回路。電流在流過閉合回路時就會產(chǎn)生磁場。按照電磁場理論，伴隨磁場產(chǎn)生的同時，又會產(chǎn)生一個輻射的電場。通過電場和磁場的交互作用就形成了射頻輻射能量的產(chǎn)生與傳播。這就是印刷線板引起輻射干擾的主要原因。
這樣看來，消除印刷線路板中磁場的發(fā)生是消除電磁干擾源的主要手段，其中印刷線路板的布局和布線便成為印刷線路板設計的首要任務。在高頻開關電源的設計時這個問題尤其突出，因為開關電源是功率電路，高頻與大電流是開關電源產(chǎn)生電磁干擾的主要問題。
4.1 開關電源的輻射騷擾發(fā)生
圖2 是介紹在《開關電源的傳導騷擾抑制問題》時用于說明電源中電磁騷擾產(chǎn)生與耦合途徑的示意圖。
在開關電源工作時，初級逆變回路中的開關管Q處在高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T初級線圈、開關管Q和輸入濾波電容C8形成了一個高頻電流環(huán)路。這個環(huán)路的存在，就可能對空間形成電磁輻射。
開關電源在工作時，次級整流回路的D5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線圈、整流二極管D5和濾波電容C9構成了高頻開關電流的環(huán)路。由于有這個環(huán)路的存在，同樣也有可能對空間形成電磁輻射。
另外，初級回路中變壓器漏感的存在會加劇初級開關管電壓波形的變化，進而影響開關電源經(jīng)由開關管散熱器向外傳遞的共模電流的高頻成份，加劇輻射的共模發(fā)射。
而次級整流回路整流二極管在截止瞬間非常劇烈的電流變化，會在次級整流回路（因變壓器漏感和二極管結電容存在的回路）中產(chǎn)生高頻衰減振蕩，加劇了對外的差模輻射。
4.2 由“環(huán)天線”引起的電磁輻射
開關電源工作時，由于有初級逆變回路和次級整流回路兩個電流發(fā)生瞬變的環(huán)路存在，這樣，變化的電流必然會伴生一個變化的磁場。而變化的磁場又要產(chǎn)生一個電場。這種電場和磁場變化將會交替地產(chǎn)生，由近及遠、互相垂直、以光速在空間內傳播能量的形式，形成了開關電源電磁輻射的發(fā)射。
圖3是由初級逆變回路和次級整流回路中的差模電流所產(chǎn)生的輻射矢量示意圖。
其磁場強度H可近似用以下方程計算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
電場強度E可近似用以下方程計算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁場強度，單位A/m
Eφ是電場強度，單位V/m；
I是環(huán)中的電流，單位A；
A是環(huán)路的面積，單位m2；
r是計算點與環(huán)中心的距離，單位m；
f是頻率，單位Hz；
λ是頻率所對應的波長；
θ計算點與環(huán)中心垂直軸的夾角。
以上各式適用于自由空間的小型天線，且天線周圍沒有任何反射物體。
在電場強度E的計算公式中，**項是自由空間的傳輸特性；**項是輻射源的特性；第三項是輻射源向遠處傳輸時的電場衰減特性；*后一項是以輻射環(huán)平面中心垂直軸為參考，與測量天線方向的夾角。
由于大多數(shù)電子設備的輻射測量都不是在自由空間里進行，而是在地面開闊場上進行測量，地面的反射會使輻射發(fā)射的測量值增大，*大可達1倍。
考慮了地面反射的影響，則電場強度的*大發(fā)射表達式可改寫為：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模發(fā)射的水平。
利用此式還可以知道，若想減小環(huán)路天線的向外輻射，應該從減小電流、減小環(huán)路面積和降低工作頻率入手。
