反激式開關電源變壓器的設計(寶典)

摘要

電源模塊EMC的設計效果，直接影響附近其他設備的使用效果，問題嚴重時會導致整個系統電子設備運轉失常或損壞。注意開關電源調制頻率控制、布局與走線、軟開關技術、電源屏蔽、EMI 耦合、開關電源模塊外圍電路的EMC與防護設計等方面的細節，有助于電子設備結構設計效果優化。

1 開關電源

開關電源引起電磁干擾問題的原因是很復雜的。針對開關電源的EMC 問題，在設計時應采用以下主要措施：

1.1 軟開關技術

這是改善開關器件EMC 特性的重要方法。器件開通和關斷電源時，會產生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關管產生電磁干擾的主要原因。軟開關技術主要是使開關電源中的開關管在零電壓、零電流時，進行開關轉換，從而有效地抑制電磁干擾。

1.2 調制頻率控制

開關頻率的變化，會使干擾的能量隨著離散的開關分布變化。頻率點上發布的能量變化，導致干擾強度變化。通過調制開關信號的能量分布，使之發布在一個很寬的頻帶上，將干擾能量分布在離散頻帶上，這樣就將干擾頻譜展開，從而降低開關頻率點上的電磁干擾強度。

1.3 布局與走線

將電源輸入信號和輸出信號相關聯的元器件都放置在相應的端口附近，以避免因耦合路徑而產生干擾。走線能短則短，減少干擾；將關聯的元器件集中布局放在一起，也可減少電磁干擾。

另外還要盡量避免信號線平行走線。如果無法避免，盡量加大線間距。或者在中間加一根地線，以減少相互之間的干擾。

2 電源部分的屏蔽

2.1 屏蔽罩

電源部分的屏蔽不好，會造成較大的干擾，影響傳導。并且由于電源的發熱很厲害，所以屏蔽罩一定要注意散熱的問題。通常屏蔽罩上都有開口和接縫，也會造成電磁泄露，影響屏蔽效果，屏蔽罩電磁泄露與該開口的尺寸大小、輻射源的特性、開口處到輻射源的距離等都有關。在接縫處使用電磁密封襯墊，設計時密切注意開口尺寸，以及控制輻射源到開口的距離等措施，都可以增強屏蔽的效果。

2.2 電纜的屏蔽

一般情況下使用屏蔽電纜，將電纜的屏蔽層與連接器的外殼連接。同時電源線、信號線都通過濾波連接器轉接，這樣既可濾波，又能達到屏蔽效果。

2.3 電纜選用及敷設

絕大多數電磁兼容問題，是由電纜材料選擇不當，電纜敷設設計不當或操作不嚴密造成的。電纜是電磁波接收和輻射的高效直接的天線，同時也是干擾傳導的重要通道。應選取屏蔽層質量好、低阻抗搭接的電纜；布線時，注意電源配電線路、信號線等各類線路保持適當距離；敏感電路單獨敷設，不要交叉重疊，加大間距，避免耦合。

2.4 EMC 電源線濾波器

EMC 電源線濾波器的作用是抑制電源輸入端高頻干擾信號對整個系統的影響。濾波器性能在很大程度上取決于安裝方式，不同于一般電子元器件。所以在安裝方式上，輸入與輸出線的間距要適度偏遠，以避免兩端耦合，提高高頻濾波效果；低阻抗接觸，減短濾波器和電源端口的連線距離，先進入濾波器，再進入其他各單元；對濾波器和電源端口之間的連線，進行屏蔽，從源頭控制干擾。

3 設備電源的EMI 耦合

在電子設備內，電源同其它功能有廣泛密切的關系。電源中產生的信號，很容易耦合到各功能單元。電磁兼容首關電源，須注意：使用公共電源的電路，集中靠近且必須兼容；在電源線干線敷設濾波器以防外部騷擾進入；注意開關電源引起高頻輻射和傳導騷擾；在射頻范圍，保持低輸出阻抗，保證穩壓器有效抑制高頻紋波和瞬變加載；電源變壓器所用鐵芯材料的驅動避免飽和狀態；用靜電屏蔽的電源變壓器抑制電源線上的共模騷擾。

4 開關電源模塊外圍電路的EMC 與防護設計

單個的開關電源模塊，幾乎很難通過surge、EFT、CE、RE 等EMC 實驗，尤其是國外的電源模塊，盡管其可靠性高、壽命長、EMI 控制得很好，但其抗干擾性（Surge、EFT）不強。因此，根據開關電源模塊特性，做好外圈電路的EMC 與防護設計，是設備通過EMC 測試，或者提高其現場抗干擾性的關鍵所在。

4.1 了解開關電源的特性參數

開關電源最核心的EMC 特性參數：開關電源的輸入電壓與電流范圍、開關電源的最大瞬態干擾承受電壓（input surge Withstand）。瞬態抑制器件（壓敏電阻、TVS 管、保險絲）不應該在其正常輸入范圍內動作，外部電磁干擾經過瞬態抑制器件，或電容電感的濾波后，其殘留的干擾，一定不能大于該限值。

4.2 利用好開關電源模塊的絕緣耐壓特性

開關電源絕緣耐壓，其實是一種共模防護性能。例如開關電源輸入+110、-110V 與機殼地PG 的絕緣強度為AC1500V，也就意味著該電源模塊的浪涌、EFT 的共模抗擾度至少在DC2000V 以上，即在通過浪涌、雷擊、EFT 共模三級（2KV）測試時，不需要添加任何共模防護措施（絕緣防護，共模干擾無法擊穿其絕緣材料，導致干擾只能電壓沒有形成回路，即無法形成有效的電磁干擾）。如果要通過更高級別的浪涌或雷擊測試（如四級，4KV），可以將瞬態抑制器件的共模動作電壓提高。比如使用動作電壓為DC3600V 的氣體放電管，僅在DC4KV 的共模沖擊中動作，這樣能夠在不影響電源抗干擾性能的前提下，提高防護器件的使用壽命（減小動作次數），以及不影響其安規耐壓測試（部分耐壓測試時，不僅拆除瞬態抑制器件）。

4.3 了解開關電源的EMI 測試方法

很多開關電源是通過UL、3C 認證的，其EMI 的性能是有保證的。但是集成到系統中，你就會發現RE、CE 不通過，很大程度上是開關電源引起的。這主要是由于開關電源的EMI 測試方法不同造成的，許多開關電源CE、RE 測試時，使用電阻性負載測試（行業通用做法），與系統或帶實際負載測試時不同。實際負載，可能包含了大量的高頻電磁騷擾，導致CE、RE 測試失敗。因此，即使通過3C、UL 等認證的開關電源，我們也要預留EMI 整改的空間（如添加濾波器）。

4.4 了解防護器件的失效機理或弱點

在可靠性要求性高的場合，如軌道交通，一般采用串聯氣體放電管、串聯保險絲、提升壓敏電阻動作電壓。

4.5 適當的共模濾波與防護

某些號稱能夠通過浪涌、EFT 測試的開關電源模塊，也是帶負載電阻進行EMC 測試的，其測試時，只要保證不死機（無輸出）即可。某開關電源模塊（號稱可以通過3 級EFTSurge 測試）在抗干擾測試中，其+5V 電源輸出端口的干擾甚至高達300V，如果不對開關電源進行共模抑制或防護，極容易損壞+5V 弱電系統。如果在輸出（+5V、GND）上添加共模電感濾波、加TVS 管進行瞬態抑制的話，輸出端的瞬態過壓可以降低到20V以下。