1. 電磁兼容的概述

1.1 電磁兼容的基本概念

電磁兼容(EMC)是指設備或系統在電磁環境中能夠正常工作，且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力，主要包括兩個方面：電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)。EMI是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降；EMS 是指在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設備或系統不能避免性能降低的能力。電磁干擾包括傳導干擾和輻射干擾，電磁抗干擾包括傳導抗干擾和輻射抗干擾。

1.2 電磁干擾的影響

圖1：電氣和電子設備的復雜電磁環境

隨著現代電力電子技術、通信技術和高密度數據傳輸技術的發展，高頻、高靈敏度、高集成度和高可靠性的電氣和電子設備的應用越來越廣泛。然而，這些設備不可避免地以傳導或輻射的方式產生電磁能量或電磁騷擾，影響供電系統和電網的穩定運行，降低用電設備性能，干擾遠程和數據通信，甚至影響航空導航而危及人的生命(如圖1 所示)。為了保證設備能夠在復雜的電磁環境中正常工作，并且避免造成電磁污染，人們對電氣和電子設備的電磁兼容性提出了嚴格的要求。

電力電子變換器的主功率器件在開關過程中會產生很高的電壓和電流變化率，通過導電介質和近場耦合等方式在輸入電源線中產生電磁噪聲。這些電磁噪聲不僅污染電網，還影響同一電網中其它設備的正常工作，由此引起傳導EMI的問題，如圖2 所示。

圖2： 開關電源中的EMI問題

1.3 電磁干擾的標準

由于電磁干擾會引起敏感設備或系統的性能降低，影響設備正常工作或造成損害的現象，因此無線電干擾委員會以及歐洲都制定了相關標準，要求相關產品的CISPR14/EN55014給出了家電以及電動工具的EMI限值，CISPR15/EN55015給出了照明類產品的EMI限值，CISPR 22/EN55022給出了信息技術設備的EMI限值。圖3給出了定義A類和B類信息技術設備傳導EMI的準峰值和平均值限值。其中，A類設備是指市場上出售的用于貿易、工業或者商業環境的設備，B類設備是指居住環境的設備，同時它們也可以在A類設備的環境下使用，B類設備的傳導EMI限值比A類設備的限值更嚴格。

圖3： EN55022 A/B類設備的傳導EMI限值

2. 開關電源電源中的電磁干擾分析

圖4： 電磁兼容三要素

電磁噪聲源，耦合路徑和敏感設備（或接收機）構成了電磁兼容的三要素。

2.1 噪聲源

在開關電源中，噪聲源是功率器件在工作過程中的du/dit，di/dt變化產生的，主要有以下幾種噪聲源：功率MOS，輸出二極管，電感以及變壓器。

2.2 LISN

在分析電磁干擾的耦合路徑之前，先介紹下敏感設備，在開關電源中，敏感設備就是LISN (線性組抗性穩定網絡)，如圖5，其主要作用有：

a. 在交流輸入電源和被測試設備EUT之間提供了良好的高頻信號隔離，避免交流電源中的干擾信號影響測試結果, 同時阻止開關電源中的干擾進入到交流電源中；

b. 在傳導 EMI 的測試頻率范圍內，為EUT 在L 線和N 線中產生的干擾電流提供額定測試阻抗。

圖5： LISN等效電路

2.3 耦合路徑

耦合路徑是指傳輸電磁噪聲的通路或媒介，它包括兩種方式，一種是通過噪聲源和敏感設備之間的連線構成的傳導耦合途徑，另一種是通過空間電磁波輻射構成的輻射耦合途徑。

差模干擾是L、N兩 線之間的干擾，在反激電源中，差模干擾由反激電感的紋波電流引起的，因此可將反激電感的電流視為差模干擾電流源，其耦合路徑以及等效電路，見圖6.

圖6： 差模耦合路徑及等效電路

共模干擾是L對地以及N對地的干擾。在反激電源中，共模干擾主要有3個耦合路徑，見圖7。

圖7： 共模耦合路徑及等效電路

3. 開關電源中EMI抑制技術

電力電子變換器傳導EMI 的抑制方法主要分為以下幾類：基于噪聲源的抑制方法、基于傳導EMI 路徑的平衡和干擾對消法、以及基于PCB 布線和元件布局優化的抑制方法，增加EMI濾波器。

3.1 基于干擾源的傳導EMI抑制

電力電子變換器的開關管可以被視作傳導EMI 的噪聲源。以噪聲電壓源為梯形波的情況為例，圖9給出了一個開關周期內的噪聲電壓源波形，其中At 為梯形波幅值，Ts 為開關周期，τw 為電壓上升與下降至At /2 之間的時間，τr 和τf 分別為電壓上升和下降時間，一般可認為τr=τf。對該梯形波進行傅里葉分解，圖b給出了梯形波的頻譜包絡和頻譜的最大邊界。其中，頻譜的最大邊界在頻率低于1/(πτw)時的斜率為0dB/dec，在頻率[1/(πτw), 1/(πτr)]之間的衰減斜率為?20dB/dec，頻率高于1/(πτr)時的衰減斜率為40dB/dec。顯然，增大梯形波的上升和下降時間τr，可以減小頻率高于1/(πτr)時的梯形波諧波幅值。增加驅動電阻或者增加吸收可以有效減小開關管的dv/dt 和di/dt，實際上是增大了梯形波的上升和下降時間，從而減小了傳導EMI 的高頻諧波幅值。開關頻率固定時，傳導EMI的諧波在頻譜中主要分布在開關頻率及其倍數次頻率附近。此時，傳導EMI的能量分布比較集中。在不影響變換器主電路工作的情況下，頻率調制(也稱為抖頻)方法使開關頻率在一定范圍內變化，將原本集中分布于開關頻率及其倍數次頻率的傳導EMI 分散至一定頻率范圍，可以改善傳導EMI 的平均值頻譜。

MPS開發了一系列具有抖頻技術的開關電源芯片, 既有控制器，也有集成900V MOS的單芯片變換器，它們都采用抖頻技術，可以很好的降低EMI噪聲。

圖9： 梯形波以及頻譜的最大邊界包絡

3.2 基于傳導路徑的抑制技術

a.散熱器接原邊地，切斷散熱器的耦合路徑

b. 改變變壓器的繞制方式

把變壓器的高頻動點繞制在最內段，減小和副邊繞組的耦合電容Cps，從而有效的減小共模噪聲干擾。

c. 采用屏蔽

在原副邊之間增加屏蔽，使得原副邊耦合的距離增加，從而減小原副邊之間的耦合電容Cps，減小共模噪聲干擾。

d. 改變屏蔽繞組的寬度

當副邊輸出電壓較高時，在增加屏蔽后，有可能導致，Ip=VpCps

e.平衡對消法

3.3 基于PCB布局的EMI抑制技術

在PCB布局，需要將高頻環路盡可能的布小，同時輸入濾波器的回路也盡可能的布小。