中心議題：

• 高頻開關電源的電路結構
• 高頻開關電源電磁騷擾源的分析
• 高頻開關電源電磁騷擾的電磁兼容設計

解決方案：

• 高頻開關電源電磁騷擾測試曲線
• 高頻開關電源電磁兼容設計及改進

隨(sui)著(zhe)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)完(wan)善(shan)和(he)日(ri)趨(qu)成(cheng)熟(shu)，其(qi)在(zai)鐵(tie)路(lu)信(xin)號(hao)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)也(ye)在(zai)迅(xun)速(su)增(zeng)加(jia)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)自(zi)身(shen)存(cun)在(zai)的(de)電(dian)磁(ci)騷(sao)擾(rao)（EMI）問(wen)題(ti)如(ru)果(guo)處(chu)理(li)不(bu)好(hao)，不(bu)僅(jin)容(rong)易(yi)對(dui)電(dian)網(wang)造(zao)成(cheng)汙(wu)染(ran)，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)其(qi)他(ta)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，而(er)且(qie)傳(chuan)入(ru)空(kong)間(jian)也(ye)易(yi)形(xing)成(cheng)電(dian)磁(ci)汙(wu)染(ran)，由(you)此(ci)產(chan)生(sheng)了(le)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)（EMC）問題。

本文重點對鐵路信號電源屏使用的1200W（24V/50A）gaopinkaiguandianyuanmokuaisuocunzaidediancisaoraochaobiaowentijinxingfenxi，bingtichugaijincuoshi。gaopinkaiguandianyuanchanshengdediancisaoraokefenweichuandaosaoraohefushesaoraoliangdalei。chuandaosaoraotongguojiaoliudianyuanchuanbo，pinlvdiyu30MHz；輻射騷擾通過空間傳播
，頻率在30～1000MHz。

1  高頻開關電源的電路結構

高頻開關電源的主拓撲電路原理，如圖1所示。

2  高頻開關電源電磁騷擾源的分析

在圖1a電路中的整流器、功率管Q1
，在圖1b電路中的功率管Q2～Q5、高頻變壓器T1、輸出整流二極管D1～D2都是高頻開關電源工作時產生電磁騷擾的主要騷擾源，具體分析如下。

（1）整流器整流過程產生的高次諧波會沿著電源線產生傳導騷擾和輻射騷擾。
（2）開(kai)關(guan)功(gong)率(lv)管(guan)工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)頻(pin)導(dao)通(tong)和(he)截(jie)止(zhi)的(de)狀(zhuang)態(tai)
，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)
，提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)，開(kai)關(guan)管(guan)的(de)打(da)開(kai)和(he)關(guan)斷(duan)的(de)速(su)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai)，一(yi)般(ban)在(zai)幾(ji)微(wei)秒(miao)，開(kai)關(guan)管(guan)以(yi)這(zhe)樣(yang)的(de)速(su)度(du)打(da)開(kai)和(he)關(guan)斷(duan)，形(xing)成(cheng)了(le)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓(ya)和(he)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)，會(hui)產(chan)生(sheng)高(gao)頻(pin)高(gao)壓(ya)的(de)尖(jian)峰(feng)諧(xie)波(bo)
，對(dui)空(kong)間(jian)和(he)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)線(xian)形(xing)成(cheng)電(dian)磁(ci)騷(sao)擾(rao)。
（3）高頻變壓器T1進(jin)行(xing)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)的(de)同(tong)時(shi)
，產(chan)生(sheng)了(le)交(jiao)變(bian)的(de)電(dian)磁(ci)場(chang)，向(xiang)空(kong)間(jian)輻(fu)射(she)電(dian)磁(ci)波(bo)
，形(xing)成(cheng)了(le)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)。變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)分(fen)布(bu)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong)產(chan)生(sheng)振(zhen)蕩(dang)，並(bing)通(tong)過(guo)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)次(ci)級(ji)之(zhi)間(jian)的(de)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)到(dao)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)回(hui)路(lu)，形(xing)成(cheng)傳(chuan)導(dao)騷(sao)擾(rao)。
（4）在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流二極管工作在高頻開關狀態，也是一種電磁騷擾源。

由於二極管的引線寄生電感、結jie電dian容rong的de存cun在zai以yi及ji反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu的de影ying響xiang，使shi之zhi工gong作zuo在zai很hen高gao的de電dian壓ya和he電dian流liu變bian化hua率lv下xia，二er極ji管guan反fan向xiang恢hui複fu的de時shi間jian越yue長chang，則ze尖jian峰feng電dian流liu的de影ying響xiang也ye越yue大da
，騷sao擾rao信xin號hao就jiu越yue強qiang，由you此ci產chan生sheng高gao頻pin衰shuai減jian振zhen蕩dang
，這zhe是shi一yi種zhong差cha模mo傳chuan導dao騷sao擾rao。

所有產生的這些電磁信號
，通過電源線
、信號線、接地線等金屬導線傳輸到外部電源形成傳導騷擾。通過導線和器件輻射或通過充當天線的互連線輻射的騷擾信號造成輻射騷擾。

3  針對高頻開關電源電磁騷擾的電磁兼容設計

（1）開關電源入口加電源濾波器，抑製開關電源所產生的高次諧波。
（2）輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環，一方麵抑製電源線內的高頻共模，另一方麵減小通過電源線輻射的騷擾能量。
（3）電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環路麵積；把輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線
，減小輸入輸出間的電磁耦合；信號線遠離電源線

，靠近地線走線
，並且走線不要過長
，以減小回路的環麵積
；PCB板上的線條寬度不能突變

，拐角采用圓弧過渡，盡量不采用直角或尖角。
（4）對芯片和MOS開關管安裝去耦電容，其位置盡可能地靠近並聯在器件的電源和接地管腳。
（5）由於接地導線存在Ldi/dt，PCB板和機殼間接地采用銅柱連接，對不適合用銅柱連接的采用較粗的導線，並就近接地。
（6）在開關管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路，吸收浪湧電壓。
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4  高頻開關電源電磁騷擾測試曲線

在3m法電波暗室對試驗樣機進行測試，其L、N線的傳導騷擾檢測曲線如圖2、3所示

，輻射騷擾的垂直極化掃描曲線如圖4
、5所示。

根據鐵路客運專線標準規定，傳導騷擾限值和輻射騷擾限值如表1、2所示。

本開關電源一次通過了傳導騷擾的測試
，測試波形如圖2、3所示。輻射騷擾高頻段230～1000MHz也測試合格，如圖5所示。隻是在30～200MHz頻段範圍內的垂直極化指標超標，最大超標20dB，如圖4所示。

由(you)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，通(tong)過(guo)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)設(she)計(ji)在(zai)傳(chuan)導(dao)騷(sao)擾(rao)抑(yi)製(zhi)方(fang)麵(mian)取(qu)得(de)了(le)良(liang)好(hao)效(xiao)果(guo)
，在(zai)高(gao)頻(pin)段(duan)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)的(de)設(she)計(ji)也(ye)達(da)到(dao)了(le)預(yu)期(qi)效(xiao)果(guo)
，下(xia)麵(mian)還(hai)需(xu)對(dui)在(zai)30～200MHz頻段範圍內的輻射騷擾進行改進設計。
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5  高頻開關電源輻射騷擾的改進設計

由圖4可ke以yi看kan出chu，本ben開kai關guan電dian源yuan存cun在zai輻fu射she騷sao擾rao超chao標biao的de現xian象xiang，為wei了le抑yi製zhi電dian磁ci騷sao擾rao而er使shi用yong鐵tie氧yang體ti元yuan件jian


，價jia格ge便bian宜yi，效xiao果guo明ming顯xian。鐵tie氧yang體ti元yuan件jian等deng效xiao電dian路lu是shi電dian感ganL和電阻R組成的串聯電路，L和R都是頻率的函數。低頻時，R很小，L起主要作用，電磁騷擾被反射而受到抑製；高頻時，R增(zeng)大(da)，電(dian)磁(ci)騷(sao)擾(rao)被(bei)吸(xi)收(shou)並(bing)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)熱(re)能(neng)，使(shi)高(gao)頻(pin)騷(sao)擾(rao)大(da)大(da)衰(shuai)減(jian)。不(bu)同(tong)的(de)鐵(tie)氧(yang)體(ti)抑(yi)製(zhi)元(yuan)件(jian)，有(you)不(bu)同(tong)的(de)最(zui)佳(jia)抑(yi)製(zhi)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)。總(zong)之(zhi)
，選(xuan)擇(ze)和(he)安(an)裝(zhuang)鐵(tie)氧(yang)體(ti)元(yuan)件(jian)可(ke)參(can)照(zhao)如(ru)下(xia)幾(ji)條(tiao)：

（1）鐵氧體的體積越大
，抑製效果越好；
（2）在體積一定時
，長而細的形狀比短而粗的抑製效果好

；
（3）內徑越小抑製效果也越好；
（4）橫截麵越大，越不易飽和

；
（5）磁導率越高，抑製的頻率就越低；
（6）鐵氧體抑製元件應當安裝在靠近騷擾源的地方；
（7）在輸入、輸出導線上安裝時
，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

根據上麵對高頻開關電源騷擾源和鐵氧體元件的分析，決定在靠近騷擾源的地方套磁珠與磁環。圖1a中電容C1的接地端套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），圖1b中整流二極管D1和D2使用肖特基二極管
，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5）
，直流輸出線纜用鐵氧體磁環（φ13.5×φ7.5×7）繞兩圈且靠近出口處。經過處理後重新測試，其掃描曲線如圖6所示。由此可見，大部分頻段的輻射騷擾已被抑製到標準要求以下，但在頻率81
、138、165kHz附近處仍然超標。

根據對開關電源電磁騷擾源的分析可知
，在圖1b電路中高頻變壓器T1也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)騷(sao)擾(rao)源(yuan)。為(wei)了(le)阻(zu)止(zhi)高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)騷(sao)擾(rao)信(xin)號(hao)以(yi)輻(fu)射(she)方(fang)式(shi)發(fa)射(she)，把(ba)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)外(wai)殼(ke)用(yong)屏(ping)蔽(bi)材(cai)料(liao)銅(tong)箔(bo)環(huan)繞(rao)一(yi)圈(quan)構(gou)成(cheng)一(yi)回(hui)路(lu)加(jia)以(yi)屏(ping)蔽(bi)
，以(yi)切(qie)斷(duan)變(bian)壓(ya)器(qi)通(tong)過(guo)空(kong)間(jian)耦(ou)合(he)形(xing)成(cheng)的(de)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)傳(chuan)播(bo)途(tu)徑(jing)。並(bing)且(qie)為(wei)了(le)減(jian)少(shao)因(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)一(yi)次(ci)側(ce)開(kai)通(tong)時(shi)電(dian)流(liu)瞬(shun)間(jian)突(tu)變(bian)產(chan)生(sheng)的(de)di／dt騷擾
，在變壓器T1的一次側串進1個(ge)電(dian)感(gan)，以(yi)減(jian)小(xiao)器(qi)件(jian)的(de)開(kai)通(tong)損(sun)耗(hao)
，降(jiang)低(di)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)信(xin)號(hao)。經(jing)過(guo)整(zheng)改(gai)後(hou)，輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)大(da)大(da)下(xia)降(jiang)，再(zai)次(ci)對(dui)本(ben)電(dian)源(yuan)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，完(wan)全(quan)達(da)到(dao)了(le)標(biao)準(zhun)要(yao)求(qiu)，其(qi)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)如(ru)圖(tu)7所示。

6  結語

隨(sui)著(zhe)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)等(deng)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)重(zhong)要(yao)性(xing)的(de)凸(tu)現(xian)
，我(wo)們(men)應(ying)該(gai)在(zai)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)初(chu)期(qi)階(jie)段(duan)

，同(tong)時(shi)進(jin)行(xing)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)設(she)計(ji)
，此(ci)時(shi)結(jie)構(gou)和(he)電(dian)路(lu)方(fang)案(an)尚(shang)未(wei)定(ding)型(xing)，可(ke)選(xuan)用(yong)的(de)方(fang)法(fa)較(jiao)多(duo)。如(ru)果(guo)等(deng)到(dao)生(sheng)產(chan)階(jie)段(duan)再(zai)去(qu)解(jie)決(jue)，不(bu)但(dan)給(gei)技(ji)術(shu)和(he)工(gong)藝(yi)上(shang)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)難(nan)度(du)，而(er)且(qie)會(hui)造(zao)成(cheng)人(ren)力(li)、財力和時間的極大浪費。所以，要走出設計修改法的誤區，正確運用係統設計法。

與EMI相關的因素多且複雜，僅做到上述的幾點措施是遠遠不夠的
，還有接地技術、PCB布局走線等都很重要。電磁兼容的設計任重而道遠，我們要不斷進行研究探索，使我國的電子產品電磁兼容水平與國際同步。