开关电源电磁兼容的常见设计方法

【摘要】文章主要提出开关电源电磁兼容（简称EMC）的组成、含义等基本内容，提出一些常见的解决方案，针对现代电子设备，设计合理的电源噪声滤波器，选择合理的元器件，以及合理的PCB布线设计方案是至关重要的。

引言

目前，电子设备广泛应用在各种不同领域中，各种的电子设备都离不开开关电源，这些设备在运行中会产生的高密度、宽频谱的电磁信号，一些复杂的环境要求电子设备具有更高的电磁兼容性，于是关于EMC的设计方案就显得十分重要。

一、电磁兼容性（EMC）的体系组成

电磁兼容性（EMC），其主要由电磁敏感性（EMS）和电磁干扰（EMI）组成。电子设备既要兼备使设备本身对外产生的噪声较少，又要有对抗来自外部噪声的功能。能满足此两项条件的电子设备，才能同时使用，互无干扰。电磁敏感性（EMS）指在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力也就是抗干扰能力；电磁干扰（EMI）指电子设备的输出噪声。所以电磁干扰和电磁敏感性既是一对难解难分的“冤家对头”，又是相互关联的矛盾统一体。

二、电磁兼容的基本概念

国际电工委员会（IEC）定义电磁兼容为：电磁兼容是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。我国颁布的电磁兼容标准中定义电磁兼容为：设备或系统的在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物造成不能承受的电磁骚扰的能力。说明了电磁兼容的三层意思：一是电子设备应具有的抑制外部电磁干扰的能力；二是该电子设备所产生的电磁干扰应低于规定的限度，不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作；三是任何电子设备的电磁兼容性都是可以测量的。

电磁兼容性研究的领域主要包括电磁干扰的产生与传输、电磁兼容的设计标准、电磁干扰的诊断与抑制、电磁兼容性的测试四部分。所研究的对象有自然干扰源和人为干扰源，自然干扰源有大气干扰源（雷电）、天电干扰源（太阳）、热噪声（电阻热噪声），人为干扰源有电网、电刷、家电、点火系统、手机等。我国在该领域起步较晚，但也制定了电磁兼容性的标准，特别在无线电、家电、电动工具等方面制定了规范的测量方法以及标准。

三、电磁兼容性的常见解决方案

目前电磁干扰（EMI）所带来的问题已经是电磁兼容的主要问题，下面就电磁干扰的产生原因、解决方法、以及元件选择和电路板的制作方法做简单介绍。

1、开关电源电磁干扰（EMI）的产生及解决方法

1.1开关电源外部电磁干扰和内部电磁干扰的产生原因

220V/50HZ交流电网或115V/400HZ交流发机电机发电机，都存在各式各样的EMI噪声，还有人为的EMI干扰源如各种雷达、导航、通信等设备的列线电发射信号，会在电源线上和电子设备的连接电缆上感应出电磁干扰信号。

开关电源本身工作时也会产生各种各样的电磁干扰噪声，比如线性稳压电源中，因整流而形成的单向脉 动电流也会产生电磁干扰，开关电源本身在功率变换时也会产生很强的EMI噪声源，这些EMI噪声也会严重影响其它电子设备的正常工作。

1.2针对EMI噪声源采用的对策方法

常用对策就是采用无源噪声滤波器，无源噪声滤波器主要作用是防止外来电磁噪声干扰电源设备本身控制电路的工作和外来电磁噪声干扰负载工作，同时抑制电源设备本身产生的EMI还可以抑制由其它设备产生而经过电源传播的EMI。无源噪声滤波器有两种类型，一种是共模噪音，一种是差模噪音，我们把两条交流输入引线上传输电位相等相同的干扰信号称之为差模噪音，而把交流输入线对大地的干扰称之为共模噪音，对于任何电源输入线上传导的EMI噪声，都可以用差模和共模噪音来表示，一般主要是抵制共模噪声，因为共模噪声在全频域特别是高频占主要部分而在低频内差模噪声比例较大，所以应根据实际情况设计合理的噪声滤波器。

电源噪声滤波器主要由共模线圈，差模电感，以及共模电容和差电容组成，其主要设计原则是选择合理的共模电感线圈，使用磁芯有环形、巨形和U形，材料是铁氧体，而差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯，差模电容接在交流输入线两端安全等级分两种，一种适合一般场合，另一种适用于会出现高的噪音峰值电压的应用击倒，共模电容接在交流进线与机壳地之间，它的容量是个重要参数，使其在额定频率电压漏电流小于安全规范值。

2、元器件选择

元器件的选择也是单板 EMC性能的主要影响因素。每种类型的电子元器件都有她自己的特性，这就需要仔细考虑设计。电子元器件的选择方法可以来减少或者抑制EMI。

2.1器件封装

电子元器件的封装可以分为两类，无铅封装和有铅封装。有铅封装的元器件会产生寄生效应，特别是在高频范围中，铅的低值电感大概是1nH/mmlead. 在终端也可以产生小的电容效应，在4pf附近。因此应当尽可能的减少铅的长度。无铅和表面贴的元器件相比来说有更小的寄生效应，首选应当是表面帖元器件，然后是径向的有铅封装元器件，然后才是轴向的有铅封装元器件。

2.2电阻

要想低的寄生效应，表面贴电阻是首选。有铅封装类型的电阻，选择顺序由高到低的次序是 炭膜电阻>金属氧化膜电阻>线绕电阻。在放大电路设计中，电阻的选择极为重要。在高频范围内，由于在电阻上的感应影响，阻抗会增大。因此，增益调整的电阻应尽可能地放置在靠近放大电路的地方，来降低板子的感应系数。

2.3电容

选择合适的电容不是一件容易的事情，因为电容有不同的类型及行为反应。电容是解决许多 EMC问题的重要器件，旁路电容和去耦电容应当在电源入口的地方尽力靠近放在一起，来滤掉高频噪声，去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100到1/1000，去耦电容应当尽可能的靠近IC，因为导线电阻会降低去耦电容的作用。

2.4电感

电感是电场和磁场的连接器件.因为可以和磁场相互影响固有的本性，所以电感比其他元器件更敏感。和电容一样，当我们恰当的应用电感时， 它可以解决许多EMC问题。

2.5二极管以及集成电路

二极管是最简单的半导体器件。结合它们独特的个性，一些二极管可以解决或者改善有关 EMI的问题。集成电路的制作技术也会影响到设备的电磁兼容性（EMC）。

3、印刷电路板Layout技术

印刷电路板的Layout技术也是EMC性能的重要影响因素之一。PCB是系统中固有的一部分，所以通过PCBlayout技术来改进EMC性能对最终产品不会增加任何额外的费用。

采用常见的一些设计技术：例如分割、局部电源和IC的去耦、基准面的射频电流、走线分离、保护和分流走线、采用接地技术等。在这里就不一一说明了。

结束语

开关电源电磁兼容性的问题是现代电子设计中一个主要问题，针对上述设计方法，设计者要么除掉干扰源，要么保护受影响的电路，最终的目的都是为了达到电磁兼容的目的，所以，其设计方法应根据实际情况加以灵活运用。