開關(guān)電源的EMC詳解，電源工程師最怕的EMC,這樣分析，你還不懂開關(guān)電源的EMC么？

由于現(xiàn)在開關(guān)電源的速度越來越快，功率越來越高，密度越來越大，必然會(huì)產(chǎn)生干擾問題，我們就要解決這個(gè)干擾。干擾分為兩個(gè)方面，一個(gè)是干擾其他的電器產(chǎn)品，簡稱EMI(electromagnetic
interference)電磁干擾；另一個(gè)是被其他電器產(chǎn)品干擾，也叫抗干擾性，我們用EMS（electromagnetic
susceptibility）表示。因此，做電磁兼容，實(shí)際上是做這兩個(gè)部分，電磁兼容簡稱EMC（electromagnetic
compatibility），我們這里主要是討論EMC的問題。

電磁兼容從兩個(gè)方面去考慮：一方面，一般性產(chǎn)品都有電源引入線和產(chǎn)品本身的器件組成，做電磁兼容需要消除電源線上引入的外部噪音，以及電氣產(chǎn)品產(chǎn)生的噪音；另一方面，還要避免向外部發(fā)出噪音干擾，這樣在自己正常工作的同時(shí)也不影響別人。

一般來講，我們把輸入的無用信號(hào)，統(tǒng)稱為噪音。要想理解以上問題，我們需要知道什么叫噪音。最早的時(shí)候，由于電源發(fā)出一些聲響，我們把這樣的聲響稱為噪音，但是實(shí)際上人耳接受頻段的能力是有限的，2Hz-2KHz。實(shí)際上更多的頻段的信息（無用信號(hào)）是人耳聽不見的，因此我們把凡是對器件本身無用的信號(hào)稱為噪音。

噪音按照傳播路徑來分，可以分為傳導(dǎo)噪音干擾，和空間噪音干擾。其傳導(dǎo)干擾，主要通過導(dǎo)體傳播。通過導(dǎo)電介質(zhì)，把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的介質(zhì)，耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。那么這個(gè)更多的是由電場中電子運(yùn)動(dòng)引起的，因此它的頻譜帶寬并不高，在30M以下。另外一種，由于電子運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快和電流的變化速度越快產(chǎn)生了磁場，而磁場之間又是相互耦合，我們把這樣的現(xiàn)象稱為電磁場。電磁場由于頻譜較高，一般在30
Hz-30
ZHz,由于帶寬高，斜率陡，它更容易向空間輻射，我們把這樣的干擾稱為輻射干擾，所以解決EMC的問題是解決傳導(dǎo)干擾和輻射干擾這兩類問題。從技術(shù)角度來說是解決電場和電磁場問題。由于這些干擾對產(chǎn)品產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至不能夠正常工作，所以我們盡可能消滅它。那么從原理來說，我們只要衰減這些信號(hào)波，干擾波，讓它們的破壞降低就可以了。從方法角度來說，我們一般用濾波器來進(jìn)行衰減，甚至消除。那么傳導(dǎo)噪音干擾，一般可以通過設(shè)計(jì)濾波電路，或者增加濾波器的方法來進(jìn)行抑制和衰減。也可以采用雙絞線，或同軸電纜的方式。而空間輻射干擾則主要通過密封屏蔽技術(shù)在結(jié)構(gòu)上實(shí)行電磁屏蔽。比如說可以用帶屏蔽層的電源線，結(jié)構(gòu)上可以用電源罩。比如筆記本電腦上采用屏蔽貼，一些產(chǎn)品上鍍一層導(dǎo)電漆來進(jìn)行屏蔽。

綜上所述，電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾，空間干擾；傳導(dǎo)干擾又分共模干擾和差模干擾，那么空間干擾又分輻射干擾和感應(yīng)干擾；感應(yīng)干擾又分電場耦合和磁場耦合

那么，構(gòu)成干擾要有三要素，騷擾源，傳播途徑，敏感設(shè)備。騷擾源分兩種，一種是電場的騷擾源，一種是磁場的騷擾源。

 

干擾示意圖

在電路設(shè)計(jì)中如何解決共模干擾和差模干擾？

上文提到的傳導(dǎo)噪音干擾，又分為差模干擾和共模干擾兩種。差模干擾是指兩條電源線之間（wire
to
wire）的，主要通過選擇合適的電容（X電容，也稱安規(guī)電容），和差模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線分別對大地（簡稱線對地）的，主要通過選擇合適的電容（Y電容，也是安規(guī)級(jí)別的），和共模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。我們常用的低通濾波器，一般會(huì)同時(shí)具有抑制共模和差模干擾的功能。

如圖1，3為差模電容，2為共模電感，4為共模電容

1，2，3共同組成的叫π型濾波器，1，3組成的電容主要是濾兩根線之間的信號(hào)差，因此而得名。一般這兩個(gè)電容的取值在0.22
uf-1.5 uf。在出現(xiàn)干擾超標(biāo)的時(shí)候，一般解決方法是把這兩個(gè)電容的值加大，但隨著電容容值加大，會(huì)導(dǎo)致漏電流加大，這點(diǎn)需要注意。

2為共模電感，這個(gè)上面有兩根獨(dú)立的線圈，方向相反的繞制在同一個(gè)圓形閉合的磁芯上，當(dāng)有差分信號(hào)通過時(shí)，由于這兩根導(dǎo)線大小相等，反向相反，因此產(chǎn)生的磁場相互抵消了。共模電感的感量選型一般在幾百微亨到幾毫亨級(jí)別。4為共模電容，這兩個(gè)電容由于分別連接著L和N兩根線且對地的，呈Y型狀，因此而得名。它們的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大，越容易解決干擾問題，但是漏電也越大，取值要甚重。

當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

一般
濾波器不單獨(dú)使用差模線圈，因?yàn)楣材ｋ姼袃蛇吚@線不一致等原因，電感必定不會(huì)相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴(yán)重，就要追加差模線圈。

差模干擾：簡單的說就是線對線的干擾。

 

如圖，我們可以看到差模的原理圖。UDM
就是差模電壓，IDM
就是差模電流。IDM
大小相同，方向相反。

差模干擾產(chǎn)生的原因

差模干擾中的干擾是起源在同一電源線路之中（直接注入）。如同一線路中工作的電機(jī)，開關(guān)電源，可控硅等，他們在電源線上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾

如何影響設(shè)備。

差模干擾直接作用在設(shè)備兩端的，直接影響設(shè)備工作，甚至破壞設(shè)備。（表現(xiàn)為尖峰電壓，電壓跌落及中斷。）

如何濾除差模干擾

主要采用差模電感和差模電容。

差模電感的工作原理：

 

 

可以看到，當(dāng)電流流過差模線圈之后，線圈里面的磁通是增強(qiáng)的，相當(dāng)于兩個(gè)磁通之和。線圈特性
低頻率低阻抗 高頻率高阻抗
決定了在高頻時(shí)利用它的高阻抗衰減差模信號(hào)。（如圖下圖所示）

當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，線圈阻抗接近于0，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，不起任何衰減作用。

當(dāng)頻率為500k
Hz時(shí)，阻抗達(dá)到5k
歐，而理想狀態(tài)下，此時(shí)負(fù)載阻抗一般考慮為50歐。

根據(jù)上面公司，此時(shí)差模線圈分得了99%的差模干擾電壓。而負(fù)載只分得了1%的差模干擾電壓。

同時(shí)，電流也有很大的衰減。（可以算出此時(shí)線圈的差模插入損耗）

 

差模電容工作原理：

 

 

可以看到：

電容特性
低頻率高阻抗
高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時(shí)它的低阻

短路掉差模干擾。（如下圖所示：）

當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，電容阻抗趨近于無窮大，相當(dāng)于短路，不起任何衰減作用。

當(dāng)頻率為500k
Hz時(shí)，電容阻抗很小，根據(jù)上式可以看到，差模復(fù)雜的電流衰減為趨近于0。

如當(dāng)頻率為500k
Hz時(shí)，負(fù)載50歐，容抗0.05歐

此時(shí)電容分得了99.9%的差模干擾電流，而負(fù)載只分得了0.1%的差模干擾電流。

也就是說500k
Hz 時(shí)，電容使得差模干擾下降了30dB.

 

共模：就是同時(shí)對地的干擾

 

如圖，我們可以看到共模的原理圖，UPQ
就是共模電壓，ICM1
ICM2就是共模電流。ICM1
ICM2大小不一定相同，方向相同

共模干擾產(chǎn)生的原因很多，主要原因有以下幾點(diǎn)。

1. 
   電網(wǎng)串入共模干擾電壓。
2. 
   輻射干擾（如雷擊，設(shè)備電弧，附近電臺(tái)，大功率輻射源）在心啊后線上感應(yīng)出共模干擾。（原理是
   交變的磁場 產(chǎn)生交變的電流，猶豫地線，零線回路面積與地線
   火線回路面積不相同，兩個(gè)回路阻抗不通等原因造成電流大小不同）
3. 
   接地電壓不一樣，也就是說電位差異引入共模干擾
4. 
   也包括設(shè)備內(nèi)部電線
   對電源線的影響。

如何影響設(shè)備

共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電供電室。變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電流可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號(hào)。造成元器件損壞，這種共模干擾可為直流，亦可為交流。如圖

 

ICM2
近似等于ICM1:而Z1不等于Z2；UP=ICM2*ZCM2;UQ=ICM1*ZCM1

所以UP不等于UQ，從未轉(zhuǎn)換為差模電壓UPQ

也就是說，共模干擾不直接影響設(shè)備，而是通過轉(zhuǎn)化為差模電壓來影響設(shè)備。

如何濾除共模干擾（共模線圈
共模電容）

共模線圈

 

 

共模線圈和差模線圈原理比較類似，都是利用線圈高頻時(shí)的高阻抗來衰減干擾信號(hào)。

共模線圈和差模線圈繞線方法剛好相反（如圖）

因?yàn)椴钅＞�圈在濾除干擾的同時(shí)，還會(huì)一定程度的增加阻抗。而共模線圈對方向相反的電流基本不起作用。所以我們在能夠滿足特性的前提下，一般很少使用差模線圈。

共模電容的工作原理

 

 

共模電容的工作原理和差模電容的工作原理是一致的，

都是利用電容的高頻低阻抗，使高頻干擾信號(hào)短路，而低頻時(shí)電路不受任何影響。

只是差模電容是兩極之間短路。而共模電容是線對地短路。

3300pF
1.6mm引腳
共模電容諧振頻率點(diǎn)為19.3
M Hz