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開關電源EMI設計與整改策略100條（一）
日期：2025-04-28 15:43
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摘要：EMC的分類及標準
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN6100...
EMC的分類及標準
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
國標IT類（GB9254，GB17625）和AV類（GB13837，GB17625）。
FCC測試頻率在450K－30MHz，CISPR 22測試頻率在150K－－30MHz，Conduction可以用頻譜分析儀測試，Radiation則必須到專門的實驗室測試。
EMI為電磁干擾，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 電磁干擾， EMI包括傳導、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁干擾是由干擾源、藕合通道和接收器三部分構成的，通常稱作干擾的三要素。 EMI線性正比于電流，電流回路面積以及頻率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是電流，S是回路面積，F是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關的一個常數。
輻射干擾（30MHz—1GHz）是通過空間并以電磁波的特性和規律傳播的。但不是任何裝置都能輻射電磁波的。
傳導干擾（150K－－30MHz）是沿著導體傳播的干擾。所以傳導干擾的傳播要求在干擾源和接收器之間有一完整的電路連接。
EMI是指產品的對外電磁干擾。一般情況下分為Class A ＆ Class B 兩個等級。 Class A為工業等級，Class B為民用等級。民用的要比工業的嚴格，因為工業用的允許輻射稍微大一點。同樣產品在測試EMI中的輻射測試來講，在30－230MHz下，B類要求產品的輻射限值不能超過40dBm 而A類要求不能超過50dBm（以三米法電波暗室測量為例）相對要寬松的多，一般來說CLASSA是指在EMI測試條件下，無需操作人員介入，設備能按預期持續正常工作，不允許出現低于規定的性能等級的性能降低或功能損失。
EMI是設備正常工作時測它的輻射和傳導。在測試的時候，EMI的輻射和傳導在接收機上有兩個上限，分別代表Class A和Class B，如果觀察的波形超過B的線但是低于A的線，那么產品就是A類的。EMS是用測試設備對產品干擾，觀察產品在干擾下能否正常工作，如果正常工作或不出現超過標準規定的性能下降，為A級。能自動重啟且重啟后不出現超過標準規定的性能下降，為B級。不能自動重啟需人為重啟為C級，掛掉為D級。國標有D級的規定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇數倍是*不好過的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 電磁敏感度一般俗稱為“電磁**力”，是設備抗外界騷擾干擾之能力，EMI是設備對外的騷擾。
EMS中的等級是指：Class A，測試完成后設備仍在正常工作；Class B，測試完成或測試中需要重啟后可以正常工作；Class C，需要人為調整后可以正常重啟并正常工作；Class D，設備已損壞，無論怎樣調整也無法啟動。嚴格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI電路：
X電容的作用：
抑制差模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
Y電容的作用：
抑制共模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。Y電容使次級到初級地線提供一個低阻抗回路，使流向地再通過LISN回來的電流直接短路掉，由于Y電容非完全理想，次級各部分間也存在阻抗，所以不可能全部回來。還是有一部分流到地。Y電容必須直接用盡量短的直線連接到初級和次級的冷地， 如果開通時MOS的dv／dt大于關斷時的dv／dt， 則Y電容連接到初級的地； 反之連接到V＋。
共模電感的作用：
抑制共模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。增加共模電流部分的阻抗，減小共模電流。
差模電感的作用：
抑制差模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
開關電源設計前的一般應對策略
采用交流輸入EMI濾波器
通常干擾電流在導線上傳輸時有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線 對大地間，主要是由du／dt產生的，di／dt也產生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導線上傳輸時既可以共模方式出現，也可以差模方式出現；但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對有用信號構成干擾。
交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小；共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過導線產生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當的EMI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個磁芯 上的線圈組成。如果兩個線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會很小，在電源線頻率范圍內差模電抗將會變得很??；當負載電流流過共模扼流圈時，串聯在相線上的線圈所產生的磁力線和串聯在中線上線圈所產生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。 因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。 這里共模扼流圈要采用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。
圖1 電源線濾波器基本電路圖
利用吸收回路改善開關波形
開關管或 二極管在開通和關斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲電容和分布電容，容易在開關管集電極、發射極兩端和二極管上產生尖峰電壓。通常情況下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。
圖2 RCD浪涌電壓吸收回路
當吸收回路上的電壓超過一定幅度時，各器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，同時將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質一般為鈷（Co），當通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時，它將產生很大的反電勢，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。
利用開關頻率調制技術
頻率控制技術是基于開關干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機頻率法和調制頻率法。
隨機頻率法是在電路開關間隔中加人一個隨機擾動分量，使開關干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續分布干擾，其峰值大大下降。
調制頻率法是在鋸齒波中加人調制波（白噪聲），在產生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調制展開成一個分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關斷時的干擾。
采用軟開關技術
開關電源的干擾之一是來自功率開關管通／斷時的du／dt，因此，減小功率開關管通／斷的du／dt是抑制開關電源干擾的一項重要措施。而軟開關技術可以減小開關管通／斷的du／dt。
如果在開關電路的基礎上增加一個很小的電感、電容等諧振元件就構成輔助網絡。在開關過程前后引人諧振過程，使開關開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現象，降低、甚至消除開關損耗和干擾，這種電路稱為軟開關電路。
根據上述原理可以采用兩種方法，即在開關關斷前使其電流為零，則開關關斷時就不會產生損耗和干擾，這種關斷方式稱為零電流關斷；或在開關開通前使其電壓為 零，則開關開通時也不會產生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電流開關和零電壓開關，基本電路如圖3和 圖4所示。
圖3 零電壓開關諧振電路
圖4 零電流開關諧振電路
通常采用軟開關電路控制技術，結合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術，對開關電源的EMI干擾具有一定的改善作用。
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
國標IT類（GB9254，GB17625）和AV類（GB13837，GB17625）。
FCC測試頻率在450K－30MHz，CISPR 22測試頻率在150K－－30MHz，Conduction可以用頻譜分析儀測試，Radiation則必須到專門的實驗室測試。
EMI為電磁干擾，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 電磁干擾， EMI包括傳導、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁干擾是由干擾源、藕合通道和接收器三部分構成的，通常稱作干擾的三要素。 EMI線性正比于電流，電流回路面積以及頻率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是電流，S是回路面積，F是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關的一個常數。
輻射干擾（30MHz—1GHz）是通過空間并以電磁波的特性和規律傳播的。但不是任何裝置都能輻射電磁波的。
傳導干擾（150K－－30MHz）是沿著導體傳播的干擾。所以傳導干擾的傳播要求在干擾源和接收器之間有一完整的電路連接。
EMI是指產品的對外電磁干擾。一般情況下分為Class A ＆ Class B 兩個等級。 Class A為工業等級，Class B為民用等級。民用的要比工業的嚴格，因為工業用的允許輻射稍微大一點。同樣產品在測試EMI中的輻射測試來講，在30－230MHz下，B類要求產品的輻射限值不能超過40dBm 而A類要求不能超過50dBm（以三米法電波暗室測量為例）相對要寬松的多，一般來說CLASSA是指在EMI測試條件下，無需操作人員介入，設備能按預期持續正常工作，不允許出現低于規定的性能等級的性能降低或功能損失。
EMI是設備正常工作時測它的輻射和傳導。在測試的時候，EMI的輻射和傳導在接收機上有兩個上限，分別代表Class A和Class B，如果觀察的波形超過B的線但是低于A的線，那么產品就是A類的。EMS是用測試設備對產品干擾，觀察產品在干擾下能否正常工作，如果正常工作或不出現超過標準規定的性能下降，為A級。能自動重啟且重啟后不出現超過標準規定的性能下降，為B級。不能自動重啟需人為重啟為C級，掛掉為D級。國標有D級的規定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇數倍是*不好過的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 電磁敏感度一般俗稱為“電磁**力”，是設備抗外界騷擾干擾之能力，EMI是設備對外的騷擾。
EMS中的等級是指：Class A，測試完成后設備仍在正常工作；Class B，測試完成或測試中需要重啟后可以正常工作；Class C，需要人為調整后可以正常重啟并正常工作；Class D，設備已損壞，無論怎樣調整也無法啟動。嚴格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI電路：
X電容的作用：
抑制差模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
Y電容的作用：
抑制共模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。Y電容使次級到初級地線提供一個低阻抗回路，使流向地再通過LISN回來的電流直接短路掉，由于Y電容非完全理想，次級各部分間也存在阻抗，所以不可能全部回來。還是有一部分流到地。Y電容必須直接用盡量短的直線連接到初級和次級的冷地， 如果開通時MOS的dv／dt大于關斷時的dv／dt， 則Y電容連接到初級的地； 反之連接到V＋。
共模電感的作用：
抑制共模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。增加共模電流部分的阻抗，減小共模電流。
差模電感的作用：
抑制差模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
開關電源設計前的一般應對策略
采用交流輸入EMI濾波器
通常干擾電流在導線上傳輸時有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線 對大地間，主要是由du／dt產生的，di／dt也產生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導線上傳輸時既可以共模方式出現，也可以差模方式出現；但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對有用信號構成干擾。
交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小；共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過導線產生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當的EMI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個磁芯 上的線圈組成。如果兩個線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會很小，在電源線頻率范圍內差模電抗將會變得很??；當負載電流流過共模扼流圈時，串聯在相線上的線圈所產生的磁力線和串聯在中線上線圈所產生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。 因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。 這里共模扼流圈要采用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。
圖1 電源線濾波器基本電路圖
利用吸收回路改善開關波形
開關管或 二極管在開通和關斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲電容和分布電容，容易在開關管集電極、發射極兩端和二極管上產生尖峰電壓。通常情況下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。
圖2 RCD浪涌電壓吸收回路
當吸收回路上的電壓超過一定幅度時，各器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，同時將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質一般為鈷（Co），當通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時，它將產生很大的反電勢，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。
利用開關頻率調制技術
頻率控制技術是基于開關干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機頻率法和調制頻率法。
隨機頻率法是在電路開關間隔中加人一個隨機擾動分量，使開關干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續分布干擾，其峰值大大下降。
調制頻率法是在鋸齒波中加人調制波（白噪聲），在產生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調制展開成一個分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關斷時的干擾。
采用軟開關技術
開關電源的干擾之一是來自功率開關管通／斷時的du／dt，因此，減小功率開關管通／斷的du／dt是抑制開關電源干擾的一項重要措施。而軟開關技術可以減小開關管通／斷的du／dt。
如果在開關電路的基礎上增加一個很小的電感、電容等諧振元件就構成輔助網絡。在開關過程前后引人諧振過程，使開關開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現象，降低、甚至消除開關損耗和干擾，這種電路稱為軟開關電路。
根據上述原理可以采用兩種方法，即在開關關斷前使其電流為零，則開關關斷時就不會產生損耗和干擾，這種關斷方式稱為零電流關斷；或在開關開通前使其電壓為 零，則開關開通時也不會產生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電流開關和零電壓開關，基本電路如圖3和 圖4所示。
圖3 零電壓開關諧振電路
圖4 零電流開關諧振電路
通常采用軟開關電路控制技術，結合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術，對開關電源的EMI干擾具有一定的改善作用。
