DC/DC电源中的电磁干扰及其对策

摘　要：概述了电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)的基本知识，对DC/DC电源中的电磁干扰进行了综合分析，并给出了各自的解决方案。

关键词：DC/DC电源；电磁干扰；传导电磁干扰；辐射电磁干扰；电磁兼容

1 　引　言
随着科学技术的发展，越来越多的电子产品进入了社会各个领域，推动了社会物质的丰富和精神文明的进步。但不容忽视的是，伴随这些电子产品的应用而产生的电磁干扰又给人们带来了诸多烦恼。

电子产品产生的电磁干扰，以辐射和传导两种形式进行传播。它干扰广播、电视和通讯的接收，造成电子仪器和设备的工作失常、失效甚至损坏。强烈的电磁辐射还会危害人们的健康，甚至导致易燃、易爆物质起火和爆炸等。因此，人们不得不把抑制(消除)电子产品的电磁干扰提上议事日程，高度重视其电磁兼容设计。

2 　电磁干扰和电磁兼容
2.1 　电磁干扰
任何可能引起电子装置、设备或系统性能下降甚至失效，或者对生命或无生命物质产生损害的电磁现象称为电磁干扰(EMI)。几乎每一种电子设备都产生不同程度的电磁干扰信号，它是一种不希望存在的电磁信号。这种信号可能以电磁辐射的形式辐射出来，也可能通过载流导体，如电源线、电缆等，进行传输。同样，几乎所有的电子设备对其它电子设备产生的干扰信号都很敏感。电磁干扰的产生必须具备电磁干扰源、对电磁干扰敏感的电子装置和电磁干扰的耦合通路三个要素。

电磁干扰源分为自然界和人为两种。自然界的电磁干扰主要是雷击产生的大气噪声( <10MHz)和宇宙射线、太阳射线引起的大气噪声( >10MHz) 。人为电磁干扰源分为有意和无意两种，前者是指那些必须发射电磁波的电子设备，如调频波、调幅波、电视、广播发射机以及雷达和移动无线通讯机等；后者是指那些工作时产生无用的电磁干扰信号的电子设备，如计算机设备、继电器、开关、荧光照明灯、电弧焊机以及点火装置等。容易受到电磁干扰影响的电子装置有通讯接收机(收音机、电视机等) 、雷达、导航设备、计算机等，特别是这些电子装置中的电源，对电磁干扰更是十分敏感。

电磁干扰可能以电流的形式沿载流导体(如电源线和电缆)传播，或以电磁波的形式通过空间传播。因此，根据电磁干扰的耦合通路的不同，电磁干扰可以分为传导电磁干扰和辐射电磁干扰两种。通过载流导体传播的电磁干扰称为传导电磁干扰，通过空间传播的电磁干扰称为辐射电磁干扰。

了解和掌握形成电磁干扰的三要素，对进行电气和电子设备的电磁兼容设计是非常必要的。在实际工作中，只要从减少(消除)电磁干扰源、提高电子设备的抗电磁干扰能力，以及切断电磁干扰的耦合通路入手，就能解决好电气和电子设备的电磁兼容问题，提高其在电磁环境中的工作稳定性和可靠性。

2.2 　电磁兼容
电磁兼容(EMC)的基本含义是，保证电子设备在共同的电磁环境中执行各自功能的共存状态而互不干扰。电子产品的电磁兼容设计，就是在电子产品设计时，设法抑制(消除)电磁干扰，提高电子产品在电磁环境中的工作稳定性和可靠性。

抑制(消除)电磁干扰主要有接地、屏蔽和滤波三种方法，三种方法各具特色，也相互关联。

1) 接地。在电磁兼容设计时，接地是十分重要的环节。良好的接地可以消除各种噪声的产生，减小电磁干扰的作用，降低对屏蔽和滤波的要求。常用的接地方法有浮地、单点接地和多点接地三种。采用浮地的的方法，不仅可以将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来，而且还可以使不同电位的电路之间的配合变得容易，它的主要优点是抗干扰性能好。单点接地的方法在低频条件下效果最好，多点接地的方法则在高频条件下有较佳表现。与单点接地相比，多点接地的主要优点是接线比较简单，而且在接地线上出现高频驻波的现象也明显减少。但多点接地系统中的众多地线回路对线路的维护提出了更高的要求。因为设备本身的腐蚀、冲击振动和温度变化等因素，都会使接地系统出现高阻抗，使其接地效果变差。

为了回避单点接地和多点接地的缺点，充分发挥各自的优点，在实际设计时，通常采用混合接地方式。所谓混合接地，就是对电子系统的各部分工作情况作一分析，只将那些需要就近接地的点直接(或需要高频接地的点通过旁路电容)与地平面相连，而其余各点采用单点接地的办法。

2) 屏蔽。屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰(即辐射电磁干扰) 。采用屏蔽的目的有两个：一是限制辐射电磁能量越出某一区域；二是防止外来的辐射电磁能量进入某一区域。屏蔽按其机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。在电源设计时，主要是采用全密封的金属外壳封装来实现屏蔽，达到抑制辐射电磁干扰的目的。

3) 滤波。滤波能有效地抑制通过载流导体传
播的电磁干扰(即传导电磁干扰) 。采用滤波的目的有两个：一是限制传导电能通过载流导体越出某一区域；二是防止外来的传导电能通过载流导体进入某一区域。

传导电磁干扰分为差模干扰和共模干扰两种。在实际工作中，抑制DC/ DC 电源传导电磁干扰通过载流导体转播，主要是采取在电源的输入端和输出端设置差模共模滤波器。例如，安插在电源线与电子设备之间的电源线滤波器就是抑制电源线传导电磁干扰的重要手段，它对提高电子设备在电磁环境中运行的可靠性(电磁兼容性)有着重要作用。

3 　DC/DC电源电磁干扰及其对策
电源对任何电子设备来说都是必不可少的，它也是电磁干扰的主要干扰源和接受器。因此，电源的电磁兼容设计非常重要，应引起足够重视。由于DC/DC电源工作于开关状态，所以它是一个大功率振荡器，从电磁干扰的观点来看，开关产生很多谐波，必须从设计开始时就考虑电磁干扰问题，进行电磁兼容设计。

3.1 　DC/DC电源中的传导干扰及解决措施
3.1.1 　对供电系统及与之相连的电子设备的传导干扰及其解决措施
对供电系统及与之相连的电子设备的传导干扰主要来源于初级回路中的功率开关晶体管快速开关转换和高频变压器的噪声。其解决措施如下：

1) 对功率开关晶体管的开关电压波形进行“整形”。DC/DC电源的功率损耗除与功率开关晶体管的饱和压降U_ces 、集电极反向漏电流I_ce有关外，还与功率开关晶体管的导通时间与关断时间直接相关。随着开关频率的提高，功率开关晶体管的损耗也将越来越大。为了提高DC/DC电源的效率，应尽可能减小功率开关晶体管的导通时间和关断时间。但随着开关频率和开关速度的提高，电源噪声也将随之增加。所以，必须适当控制功率开关晶体管的开关时间，以限制噪声。

控制功率开关晶体管开关时间的主要方法有：

①适当选择功率开关晶体管基极驱动信号的上升时间。

②适当控制驱动功率的大小。因为过驱动能提高功率开关晶体管的导通速度，但过强的驱动又使导通时间过快。

③在功率开关晶体管的基极与发射极或集电极与基极间并联小容量的电容，减缓基极信号的变化速率。

④在功率开关晶体管集、射极之间并联RCD网络，如图1(a)所示，增加集电极电压的上升时间(图中电容的存在主要起限制晶体管截止瞬间的电压增长率的作用) 。


图1 　晶体管开关电压波形校正电路

⑤在变压器的初级回路上并联RD网络，如图1(b)所示。在晶体管截止瞬间，变压器初级线圈所感应的电动势使二极管导通，电感中贮存的能量将通过二极管、电阻的串联回路放电，避免了可能出现在晶体管两端的电压尖峰。图1(c)是一种常见的电感能量释放电路，它可以在晶体管截止瞬间通过二极管将贮存的能量返回到初级的直流电源中去。

2) 抑制高频变压器噪声。高频变压器由于进行高压大电流脉冲变换，使得干扰噪声大量向外扩散。同时，它还会将次级高频整流二极管产生的噪声耦合到输入侧，如果输入回路不采用适当的措施，会使供电系统受到噪声的影响，甚至干扰其它电子设备。抑制高频变压器噪声的具体措施如下：
①用RC网络限制高频变压器的过冲电压。

②在变压器的设计与制作时，尽可能减少漏感的发生。
a.选用罐型磁芯。高磁通密度的高频变压器应该完全屏蔽，使外磁场和辐射最小。采用罐型磁芯可以满足这一要求。 b.绕组与绕组之间以及匝与匝之间既要紧密排列，又要相互隔离。另外，为了减小漏感，在绕制时可以将初级绕组分成两个相等的绕组，把次级绕组放在中间。这样可以将给定磁芯的变压器的漏感降到非交替绕法的四分之一。
c.给高频变压器加装屏蔽盒。DC/DC电源的功率开关晶体管和整流二极管所引起的噪声，会通过变压器以电磁能的形式直接向空间辐射或沿输入、输出端的引线向外传输。因此，在对电磁干扰要求较为严格的情况下，需对变压器进行屏蔽。

3) 合理进行版图设计，缩短导带长度，降低接地阻抗。在功率级中，功率管与变压器、箝位二极管与功率管、变压器与整流二极管和续流二极管，以及整流二极管与滤波电感和滤波电容等之间的连线都要求越短越好。这是因为它们传导的都是高频脉冲大电流，不仅会产生传导干扰，更会产生辐射干扰，是产生电磁干扰的干扰源。

4) 在输入端加接电源滤波器。从频率选择的角度来说，输入端电源滤波器属于低通滤波器。它能够毫无衰减地把直流功率输送到电源上，同时又能使高频干扰信号大大地衰减，以保护电源免受损坏。在实际应用中，它不仅封锁了共模噪声的传导路径，而且也衰减了DC/DC电源输入电流中的差模噪声。另外，该滤波器不仅限制进入电源的传导干扰，而且限制电源向电源母线发射传导干扰。通常，加接电源滤波器是抑制电源线传导性干扰最主要而有效的方法。

①电源滤波器的几种基本结构
电源滤波器的几种基本结构如图2所示。图2(a)中，L₁₁ 、L₁₂与C₂、C₃组成共模滤波器， L₂与C₄和L₃与C₅组成差模滤波器。C₁滤去输入端高次谐波分量，属于高频滤波器，中间部分属于中频滤波器，最后部分属于低频滤波器;图2 (b) 中，L₁₁， L₁₂与C₄组成共模滤波器， L₂与C₂和L₃与C₃组成差模滤波器， C₁滤去输入端高次谐波分量， 属于高频滤波器，中间部分属于中频滤波器，最后部分属于低频滤波器。


(a) 共模差模滤波器典型电路

(b) 在图(a)基础上变异的共模差模滤波器
图2 　电源线滤波器的结构

②电源滤波器的布局设计要点
为了避免造成辐射性电磁干扰，滤波器中，电容和电感的引线要尽可能短，最好选用表面贴装型；电感和电容要尽可能靠近;接地线尽量短，且确保低阻连接。

3.1.2 　对用电电子设备的传导干扰及其解决措施
对用电电子设备的传导干扰主要来源于次级回路中整流二极管反向恢复过程。由整流二极管的反向恢复时间引起的电流尖峰，不仅增加了整流二极管本身的功耗，通过变压器的耦合，使功率开关晶体管产生电流尖峰，增加导通时的损耗，而且还容易产生共态噪声。其解决措施如下：

1) 整流二极管上并接一个RC吸收网络。DC/DC电源输出端的电磁干扰由两部分组成，一是由开关频率引起的纹波，电压波形是三角波，其转换周期由开关频率决定；二是在开关ON/OFF转换瞬间由电路分布参数引起的尖峰瞬变电压，它叠加在三角波的顶峰上。DC/DC电源输出端噪声如图3所示。由于开关频率相对较低，而尖峰瞬变电压的频率相对较高，因此所产生的电磁干扰频谱很宽。为此，有必要在电路中适当添加一些尖峰，吸引网络及箝位电路，以便减小尖峰，降低电磁干扰。图4为在输出整流二极管上并接RC 吸收网络的示意图。图中，C₂一般取0.01～1μF， R₂一般取2～20Ω。

图3 　DC/ DC电源输出端噪声

图4 　输出整流二极管并接RC 吸收网络

2) 增加输出滤波器。在输出端可以通过增加第二级滤波来克服输出电压中的尖峰干扰。图5 给出了两种输出第二级滤波的线路图。图中，第二级滤波用的电感只要很小的电感量，通常只需在磁芯上绕几匝即可；同样，第二级滤波用的电容也是小容量的低感电容，如瓷介电容。

(a) 克服输出电压中的噪声电压

(b) 输出端设置差模共模滤波器
图5 　二级输出滤波线路图

图5(a)中，增加了L₁和C₂组成的第二级滤波器，可以消除输出电压中的尖峰干扰。图5 (b) ，L₂、L₃₁、L₃₂与C₂、C₃组成了共模差模滤波器( L₂和C₃构成差模滤波；L₃₁、L₃₂和C₂构成共模滤波) ， 与图5(a)中的增加的第二级滤波器相比，这个共模差模滤波器可以更好地抑制输出尖峰和噪声。它是一种理想的滤波器，可以适应各种类型的负载，完全满足电磁兼容的要求。

3) 采用多个整流二极管并联。整流二极管的反向恢复时间随工作电流的增加而增加，减小工作电流即可限制反向恢复时间。整流二极管并联使用可以减小流过单个二极管的电流，从而不仅减小了反向恢复时间，而且减小了它的正向电压降，只是这种方法的经济性较差。并联时，应特别注意各个二极管之间的平衡问题。

3.1.3 　输入端与输出端之间的传导干扰及其解决措施

功率级是DC/DC变换器的核心单元，为了满足电磁兼容要求，减少内部输入与输出之间的传导干扰，其功率级必须采用隔离式功率变换拓扑结构，利用功率变压器实现输入输出之间的电气隔离，切断输入输出之间的传导干扰通路。

用变压器隔离的功率拓扑结构有单端反激、单端正激、推挽、半桥、全桥等几种。这几种功率级工作模式各有不同。单端反激的工作模式如下:在功率管导通的半周期内，功率变压器储存能量;在功率管截止的半周期内，功率变压器才向负载释放能量，即一周期内，前半周期，功率变压器储存能量，后半周期，功率变压器将储存的能量向负载释放。功率变压器原副边分别处于两个半周期内，因而对减轻原副边的电磁干扰，效果会更好些。

图6 是在功率晶体管和输出整流二极管上均接有尖峰吸收网络的单端反激式功率拓扑结构的示意图。其中， D1 、R1 、C1组成Q1集电极电压缓升网络，用来吸收尖峰， R2 、C2组成RC网络，吸收D2上的电压尖峰。

图6 　单端反激功率级

3.2 　DC/DC电源中的辐射干扰及解决措施
辐射干扰(包括电场干扰和电磁干扰) 与IAf²的乘积成正比。其中， I是回路中的电流大小， A是电流回路所包围的面积， f是电流流动的频率。对DC/DC电源来说，存在着两个高dI/dt的回路:由输入端的直流滤波电容、变压器的初级和晶体管开关构成的初级回路;通过整流二极管、输出滤波电容和变压器次级构成的次级回路。它们是形成辐射干扰的主要回路。其解决措施如下：

1) 尽可能减小回路所包容的面积。减小回路所包容的面积是减小辐射噪声的重要途径，为此，电源的元器件应紧密排列。在初级回路中，要求输入电容、功率晶体管和变压器彼此靠近；在次级回路中，要求整流二极管与变压器和输出滤波电容彼此靠近。

2) 正负载流导线尽可能靠近。在PCB布局时，可考虑将正负载流导线分别布局在PCB的两面，并设法使其保持平行。这是因为平行靠近的正负载流导线所产生的外部磁场是趋于相互抵消的。

在陶瓷厚膜基板布局时，将正负载流导线布在同一面，并彼此靠近，而将另一面作为“地”(或另一恒定电位面) ，使正负载流导线在“地”板中感应的镜像电流与相应的磁场趋于抵消。

3) 消除整流二极管电流快速变化(dI/dt很大)产生的辐射干扰。次级回路中，整流二极管的反向恢复现象使二极管截止瞬间出现短暂的反向导通电流。这一反向窄脉冲电流有利于消除少数载流子，建立反向偏置电压。对于快恢复二极管，由于电流的陡变(dI/dt很大) ，会产生辐射能量，形成辐射电磁干扰。可以通过两种方法来消除这种辐射电磁干扰：
①在变压器输出到整流二极管的馈线上使用磁珠，并在二极管两端并接聚酯薄膜电容器;②使用软恢复的整流二极管。

4) 对功率晶体管和整流二极管的波形进行“整形”。对功率晶体管开关时的波形进行“整形”，可以抑制dI/dt的变化，不仅对消除传导干扰有好处，而且还可以减小辐射电磁干扰。

5) 采用金属外壳封装。在DC/DC电源的电磁兼容设计时，除了采用上述四种消除辐射干扰源或降低辐射干扰能量的方法外，在电源设计时，还采用全密封的金属外壳封装，以切断辐射通路的屏蔽方法，达到抑制辐射电磁干扰的目的。

3.3 　DC/DC电源工作状态不稳定引起的电磁干扰及解决措施
DC/DC电源实际上是一个恒值控制系统，它工作于深度负反馈状态，闭环后系统的稳定性会影响输出纹波。在闭环系统中，高增益运放将输出电压的变化情况与基准电压进行比较，进而将误差信号放大，加到与门电路进行脉宽调制，再将调制脉宽经逻辑电路和功率放大后输出。然后，进行前置放大，驱动功率晶体管，通过功率变压器进行电磁转换和整流滤波输出。整个闭环系统从传递函数分析看，有线性环节和非线性环节部分，所以电源是一个较复杂的闭环系统。而闭环系统稳定工作是要满足一定条件的，即增益和相位要满足一定条件。若不满足，就会产生振荡，使电源变成一个电磁干扰(EMI)源。这种情况与模拟电路无意之中工作在设计带宽之外相类似，这一点往往被电源设计师所忽略。其解决的办法是采用补偿的办法，改变微分积分电容值，也就是适当改变PID调节中的I和D，甚至改变增益P，进行稳定校正，直至满足稳定性要求。

3.4 　DC/DC电源中的输入浪涌电流及解决措施
DC/DC电源的输入端一般是电容(或电容电感) 构成的滤波电路，因此电源接通时，首先是对输入电容进行充电。该充电电流比平常的工作电流大几倍到几十倍，可能危及一次供电电源或DC/DC电源本身，造成失效而影响电子系统正常工作。当采用熔断器(保险丝) 作输入过流保护时，若浪涌电流过大，当电源的输入瞬态特性高于熔断器的熔断特性时，开关机的瞬间可能会使熔断器熔断，造成失效故障。若采用磁保持继电器作输入过流保护时，可能将磁保持断电器触点烧蚀，造成触点粘连失效，所以，对输入浪涌电流的抑制非常重要。图7 给出了常用的抑制输入浪涌电流的保护电路。其工作原理如下:在开机瞬间， 由于C1通过R1充电， Q1栅极电位不能马上建立， Q1不导通，输入电流通过R2 限流。时间常数为R1×C1乘积。随着C1充电， Q1栅极电位逐步建立， 并被稳压二极管D1箝位， Q1处于饱和导通状态， R2处于短路(接近短路) 状态，从而起到开机瞬间限制输入浪涌电流的作用。

图7 　常用的抑制输入浪涌电流的保护电路

4 　结束语
本文概述了电磁干扰和电磁兼容的基本知识，综合分析了DC/DC电源电磁干扰的产生机理和抑制对策。总的来说，DC/DC电源电磁干扰主要由功率开关晶体管和整流开关二极管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。其电磁兼容设计与一般电子设备的电磁兼容设计方法是一致的，主要采用滤波、屏蔽、接地，合理布局布线，挑选适当的元器件和电路技术等方法。与其它电子设备一样，为了达到电磁兼容的设计要求，采用一种方法往往是不够的，需要综合采用几种方法，才能起到良好的效果。

需要说明的是，本文分析的DC/DC电源电磁干扰的产生机理和抑制对策都是基于PWM控制的“硬开关”DC/DC电源进行的。当然，在DC/DC电源设计时，如果采用谐振、零电压零电流以及有源箝位等“软开关”技术，对于其电磁兼容性能是大有好处的。