开关电源EMC过不了的主要原因解析

    电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。 所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。而所谓电磁干扰是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。

　　EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部份，所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。本文首先介绍了EMC的分类及标准，其次阐述了开关电源EMC干扰产生的原因，最后介绍了开关电源EMC过不了的主要原因，具体的跟随小编一起来了解一下。

    EMC的分类及标准

　　EMC（ElectromagneTIc CompaTIbility）是电磁兼容，它包括EMI（电磁骚扰）和EMS（电磁抗骚扰）。EMC定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。

　　EMC = EMI + EMS EMI ： 電磁干擾 EMS ： 電磁相容性 （免疫力）

　　EMI可分为传导ConducTIon及辐射RadiaTIon两部分，Conduction规范一般可分为： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000-3-2， EN61000-3-3） Class B；国标IT类（GB9254，GB17625）和AV类（GB13837，GB17625）。FCC测试频率在450K-30MHz，CISPR 22测试频率在150K--30MHz，Conduction可以用频谱分析仪测试，Radiation则必须到专门的实验室测试。

　　EN55022为Radiation Test & Conduction Test （传导 & 辐射测试）； EN61000-3-2为Harmonic Test （电源谐波测试） ；EN61000-3-3为Flicker Test （电压变动测试）。

　　CISPR22（Comite Special des Purturbations Radioelectrique）应用于信息技术类装置， 适用于欧洲和亚洲地区；EN55022为欧洲标准，FCC Part 15 （Federal Communications Commission） 适用于美国，EN30220欧洲EMI测试标准，功率辐射测试标准是EN55013频率在30MHZ-300MHz。

　　EN55011辐射测试标准是：有的频率段要求较高，有的频率段要求较低。传导 （150KHZ-30MHZ） LISN主要是差模电流， 其共模阻抗为100欧姆（50 + 50）; LISN主要是共模电流， 其总的电路阻抗为25欧姆（50 // 50）。

　　EMI为电磁干扰，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 电磁干扰， EMI包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的，通常称作干扰的三要素。 EMI线性正比于电流，电流回路面积以及频率的平方即：EMI = K*I*S*F2。I是电流，S是回路面积，F是频率，K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。

　　EMI是指产品的对外电磁干扰。一般情况下分为 Class A & Class B 两个等级。 Class A为工业等级，Class B 为民用等级 。民用的要比工业的严格，因为工业用的允许辐射稍微大一点。同样产品在测试EMI中的辐射测试来讲，在30-230MHz下，B类要求产品的辐射限值不能超过40dBm 而A类要求不能超过50dBm（以三米法电波暗室测量为例）相对要宽松的多，一般来说CLASS A是指在EMI测试条件下，无需操作人员介入，设备能按预期持续正常工作，不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失。

　　EMI是设备正常工作时测它的辐射和传导。在测试的时候，EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限，分别代表Class A和Class B，如果观察的波形超过B的线但是低于A的线，那么产品就是A类的。EMS是用测试设备对产品干扰，观察产品在干扰下能否正常工作，如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降，为A级。能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降，为B级。不能自动重启需人为重启为C级，挂掉为D级。国标有D级的规定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇数倍是最不好过的。

　　EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 电磁敏感度一般俗称为 “电磁免疫力”， 是设备抗外界骚扰干扰之能力，EMI是设备对外的骚扰。

　　EMS中的等级是指：Class A，测试完成后设备仍在正常工作；Class B，测试完成或测试中需要重启后可以正常工作；Class C，需要人为调整后可以正常重启并正常工作；Class D，设备已损坏，无论怎样调整也无法启动。严格程度EMI是B》A，EMS是A》B》C》D。

    开关电源EMC干扰产生的原因

　　1、开关电路产生的电磁干扰

　　在开关电源的EMC设计中，工程师首先需要避兔的就是从电源的开关电路中所产生的电磁干扰问题，这也是开关电源的主要干扰源之一。开关电路在结构方面主要由开关管和高频变压器组成，因此它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型电磁干扰，既会影响变压器的初级，同时还会使传导干扰返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全和经济运行。

　　2、整流电路产生的电磁干扰

　　在开关电源的EMC设计中，另一个较大的电磁干扰源就是整流电路。在-一些中小型电源的整流电路中，在输出整流二极管截止时都会有一一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。

　　3、高频变压器产生的电磁干扰

　　高频变压器在开关电源的运行过程中也同样会不可避免的产生电磁干扰，在大型电源的产品测试过程中，这一干扰问题尤其常见。高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路有时会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰，对电源的EMC设计有较大影响。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。

　　4、分布电容引起的干扰

　　分布电容在开关电源的设计和EMC产品测试过程中，是一种非常不起眼的电磁干扰源。当开关电源工作在高频状态时，其纷布电容所产生的干扰是非常大的，一方面，散热片与开关管集电极间的绝缘片接触面积较大，且绝缘片较薄。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，此时将会产生共模干扰。另一方面，脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可将原边电压直接耦合到副边上，在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

　　开关电源EMC过不了的主要原因

　　1、熟透电路方可从容进行PCB设计之EMI电路

　　上面的电路对EMC的影响可想而知，输入端的滤波器都在这里；防雷击的压敏；防止冲击电流的电阻R102（配合继电器减小损耗）；关键的虑差模X电容以及和电感配合滤波的Y电容；还有对安规布板影响的保险丝；这里的每一个器件都至关重要，要细细品味每一个器件的功能与作用。设计电路时就要考虑的EMC严酷等级从容设计，比如设置几级滤波，Y电容数量的个数以及位置。压敏大小数量选择，都与我们对EMC的需求密切相关

　　二、电路与EMC

　　上图的电路中打圈几部分：对EMC影响非常重要（注意绿色部分不是的），比如辐射大家都知道电磁场辐射是空间的，但基本的原理是磁通量的变化，磁通量涉及到磁场有效截面积，也就是电路中对应的环路。电流可以产生磁场，产生的是稳定的磁场，不能向电场转化；但变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场是可以产生电场（其实这就是有名的麦克斯韦方程我用通俗语言来说），变化的电场同理可产生磁场。所以一定要关注那些有开关状态的地方，那就是EMC源头之一，这里就是EMC源头之一（这里说之一当然后续还会讲到其它方面）； 比如电路中虚线环路，是开关管开通和关断的环路，不仅设计电路时开关速度可以调节对EMC影响，布板走线环路面积也有着重要的影响！

　　三、开关器件与EMC

　　对器件的认识对EMC也有着重要的意义，比如MOS管，主开关MOS是很重要的EMC源头之一，还有整流管的开通以及关断也会产生高频辐射（原理是电流产生磁场，变化的电流产生电场）；当然这里主要是介绍半导体开关器件，其他的电感变压器就不做说明了；

　　开关器件哪些参数对EMC有重要影响，我们常说快管，慢管是以什么作为参照的呢？我们都知道快管开通损耗小，为了做高效率都喜欢用，但是为了EMC顺利通过，不得不舍弃效率，降低开关速度来减弱开关辐射；

　　对于MOS管，开通速度是由驱动电阻与输入结电容决定的；关断速度是由输出结电容与管子内阻决定；

　　参照以上两图，是不同型号的MOS管，对比下输入结电容和输出结电容，2400PF与800PF;780PF与2200PF；一看就知道第一个规格是快管，第二个是慢管，这时候决定开关速度还要与驱动电阻匹配；常规情况驱动电阻在10R-150R比较多，选取驱动电阻与结电容有关，针对快板驱动电阻可适当增大，慢管驱动电阻可适当减小；

　　对于二极管，有肖特基二极管，快回复二极管，普通二极管，还有一种用的比较少的SIC二极管，开关速度SIC二极管几乎为零，等于是没有反向恢复，开关辐射最小，并且损耗也最小，唯一的缺点就是价格昂贵，故很少用；其次就是肖特基二极管，正向压降低，反向恢复时间短，依次是快回复和普通二极管；需要在损耗和EMC之间折中；一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC；

　　四、EMC之滤波器

　　滤波器的架构选择对滤波器的影响很重要，在不同场合，滤波器是根据阻抗匹配来达到滤波效果，大家可根据此图的原则参考选取如何滤波；比如最常用的输出整流桥后采用π型滤波以及输出端采用LC滤波器；

　　滤波器的材质对设计滤波电感也是至关重要，采用不同初始磁导率的材质会在不同频率段起作用，选错材质就完全失去应有的效果；

　　五、EMC之反激高频等效模型分析

　　先从最简单的模型理解EMC：

　　EMC的路径，当然空间辐射是跟环路有关，环路也是路径构造成的；分析出反激高频等效模型，帮助理解EMC形成的机理；我们的测试接收设备会从L，N端接收传导，为了减小接收的干扰，就必须让干扰通过地回路流通而不从L，N端口流向接收设备；这时候我们的EMI电感以及Y电容通过阻抗匹配就可以实现；另外原边的干扰可以通过原副边Y电容，变压器杂散电容以及大地耦合到副边，形成更多的回路；当然一些结电容参数，如MOS管结电容，散热器结电容也能构成流通路径；