电子设备结构设计中的电源模块EMC细节深度剖析

反激式开关电源变压器的设计(宝典)

摘要

电源模块EMC的设计效果，直接影响附近其他设备的使用效果，问题严重时会导致整个系统电子设备运转失常或损坏。注意开关电源调制频率控制、布局与走线、软开关技术、电源屏蔽、EMI 耦合、开关电源模块外围电路的EMC与防护设计等方面的细节，有助于电子设备结构设计效果优化。

1 开关电源

开关电源引起电磁干扰问题的原因是很复杂的。针对开关电源的EMC 问题，在设计时应采用以下主要措施：

1.1 软开关技术

这是改善开关器件EMC 特性的重要方法。器件开通和关断电源时，会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰的主要原因。软开关技术主要是使开关电源中的开关管在零电压、零电流时，进行开关转换，从而有效地抑制电磁干扰。

1.2 调制频率控制

开关频率的变化，会使干扰的能量随着离散的开关分布变化。频率点上发布的能量变化，导致干扰强度变化。通过调制开关信号的能量分布，使之发布在一个很宽的频带上，将干扰能量分布在离散频带上，这样就将干扰频谱展开，从而降低开关频率点上的电磁干扰强度。

1.3 布局与走线

将电源输入信号和输出信号相关联的元器件都放置在相应的端口附近，以避免因耦合路径而产生干扰。走线能短则短，减少干扰；将关联的元器件集中布局放在一起，也可减少电磁干扰。

另外还要尽量避免信号线平行走线。如果无法避免，尽量加大线间距。或者在中间加一根地线，以减少相互之间的干扰。

2 电源部分的屏蔽

2.1 屏蔽罩

电源部分的屏蔽不好，会造成较大的干扰，影响传导。并且由于电源的发热很厉害，所以屏蔽罩一定要注意散热的问题。通常屏蔽罩上都有开口和接缝，也会造成电磁泄露，影响屏蔽效果，屏蔽罩电磁泄露与该开口的尺寸大小、辐射源的特性、开口处到辐射源的距离等都有关。在接缝处使用电磁密封衬垫，设计时密切注意开口尺寸，以及控制辐射源到开口的距离等措施，都可以增强屏蔽的效果。

2.2 电缆的屏蔽

一般情况下使用屏蔽电缆，将电缆的屏蔽层与连接器的外壳连接。同时电源线、信号线都通过滤波连接器转接，这样既可滤波，又能达到屏蔽效果。

2.3 电缆选用及敷设

绝大多数电磁兼容问题，是由电缆材料选择不当，电缆敷设设计不当或操作不严密造成的。电缆是电磁波接收和辐射的高效直接的天线，同时也是干扰传导的重要通道。应选取屏蔽层质量好、低阻抗搭接的电缆；布线时，注意电源配电线路、信号线等各类线路保持适当距离；敏感电路单独敷设，不要交叉重叠，加大间距，避免耦合。

2.4 EMC 电源线滤波器

EMC 电源线滤波器的作用是抑制电源输入端高频干扰信号对整个系统的影响。滤波器性能在很大程度上取决于安装方式，不同于一般电子元器件。所以在安装方式上，输入与输出线的间距要适度偏远，以避免两端耦合，提高高频滤波效果；低阻抗接触，减短滤波器和电源端口的连线距离，先进入滤波器，再进入其他各单元；对滤波器和电源端口之间的连线，进行屏蔽，从源头控制干扰。

3 设备电源的EMI 耦合

在电子设备内，电源同其它功能有广泛密切的关系。电源中产生的信号，很容易耦合到各功能单元。电磁兼容首关电源，须注意：使用公共电源的电路，集中靠近且必须兼容；在电源线干线敷设滤波器以防外部骚扰进入；注意开关电源引起高频辐射和传导骚扰；在射频范围，保持低输出阻抗，保证稳压器有效抑制高频纹波和瞬变加载；电源变压器所用铁芯材料的驱动避免饱和状态；用静电屏蔽的电源变压器抑制电源线上的共模骚扰。

4 开关电源模块外围电路的EMC 与防护设计

单个的开关电源模块，几乎很难通过surge、EFT、CE、RE 等EMC 实验，尤其是国外的电源模块，尽管其可靠性高、寿命长、EMI 控制得很好，但其抗干扰性（Surge、EFT）不强。因此，根据开关电源模块特性，做好外圈电路的EMC 与防护设计，是设备通过EMC 测试，或者提高其现场抗干扰性的关键所在。

4.1 了解开关电源的特性参数

开关电源最核心的EMC 特性参数：开关电源的输入电压与电流范围、开关电源的最大瞬态干扰承受电压（input surge Withstand）。瞬态抑制器件（压敏电阻、TVS 管、保险丝）不应该在其正常输入范围内动作，外部电磁干扰经过瞬态抑制器件，或电容电感的滤波后，其残留的干扰，一定不能大于该限值。

4.2 利用好开关电源模块的绝缘耐压特性

开关电源绝缘耐压，其实是一种共模防护性能。例如开关电源输入+110、-110V 与机壳地PG 的绝缘强度为AC1500V，也就意味着该电源模块的浪涌、EFT 的共模抗扰度至少在DC2000V 以上，即在通过浪涌、雷击、EFT 共模三级（2KV）测试时，不需要添加任何共模防护措施（绝缘防护，共模干扰无法击穿其绝缘材料，导致干扰只能电压没有形成回路，即无法形成有效的电磁干扰）。如果要通过更高级别的浪涌或雷击测试（如四级，4KV），可以将瞬态抑制器件的共模动作电压提高。比如使用动作电压为DC3600V 的气体放电管，仅在DC4KV 的共模冲击中动作，这样能够在不影响电源抗干扰性能的前提下，提高防护器件的使用寿命（减小动作次数），以及不影响其安规耐压测试（部分耐压测试时，不仅拆除瞬态抑制器件）。

4.3 了解开关电源的EMI 测试方法

很多开关电源是通过UL、3C 认证的，其EMI 的性能是有保证的。但是集成到系统中，你就会发现RE、CE 不通过，很大程度上是开关电源引起的。这主要是由于开关电源的EMI 测试方法不同造成的，许多开关电源CE、RE 测试时，使用电阻性负载测试（行业通用做法），与系统或带实际负载测试时不同。实际负载，可能包含了大量的高频电磁骚扰，导致CE、RE 测试失败。因此，即使通过3C、UL 等认证的开关电源，我们也要预留EMI 整改的空间（如添加滤波器）。

4.4 了解防护器件的失效机理或弱点

在可靠性要求性高的场合，如轨道交通，一般采用串联气体放电管、串联保险丝、提升压敏电阻动作电压。

4.5 适当的共模滤波与防护

某些号称能够通过浪涌、EFT 测试的开关电源模块，也是带负载电阻进行EMC 测试的，其测试时，只要保证不死机（无输出）即可。某开关电源模块（号称可以通过3 级EFTSurge 测试）在抗干扰测试中，其+5V 电源输出端口的干扰甚至高达300V，如果不对开关电源进行共模抑制或防护，极容易损坏+5V 弱电系统。如果在输出（+5V、GND）上添加共模电感滤波、加TVS 管进行瞬态抑制的话，输出端的瞬态过压可以降低到20V以下。