电路中开关电源的辐射骚扰

1 辐射骚扰的空间传输

1. 远场和近场

电磁能量以场的形式向四周传播，就形成了辐射骚扰，场可以分为近场、和远场，近场又称为感应场，它的性质与场源有密切的关系，如果场源是高电压小电流的源，则近场主要是电场，如果场源是低压大电流，则场源主要是磁场。无论近场是磁场或是电场，当离场源的距离大于λ/2π时，均变成远场，又称为辐射场。

由于开关电源工作在高电压，大电流的状态下，近场即有电场，又有磁场。

2. 骚扰的辐射方式

● 单点辐射，主要模拟各相同性的较小的辐射源，辐射的强度可表示为：

式中，P 表示发射的功率，r 表示离发射源的距离。可见，单点辐射强度与距离成反比，与发射源的功率的平方根成正比。

● 平行双线环路的辐射

主要模拟差模电流回路的辐射源，其辐射强度可以表示为：

式中 A 为差模电流所包围的面积，I 是差模电流的大小，r 是离辐射源的距离，λ是波长。可见差模辐射强度与差模电流的大小和差模电流所包围的面积成正比，与距离成反比，与频率的平方成正比。

因此应在高频噪声源处加高频去耦电容，以免高频噪声流入电源回路中。

● 单导线的辐射

单导线的辐射公式可以用来估算共模电流产生的辐射的大小：

式中，I 是共模电流的大小，r 是到共模电流源的距离， l 是导线的长度，λ是波长。

3. 共模电流辐射

两根相近的导线，如果流过差模电流，则导线产生的电磁场由于方向相反，大小相等而相互抵消，但如果流过共模电流，时两根导线产生的电磁场相互叠加。因此大小相同的共模电流所产生的空间辐射要比差模电流产生的空间辐射强度大的多，根据实验，两者的辐射强度相差上千倍。所以，开关电源的辐射主要是由共模电流引起的。

● 共模电流辐射的基本模式

共模辐射有两种驱动模式，一种是电流驱动模式，一种是电压驱动模式，在开关电源中，起主要作用的主要是电压驱动模式。

● 产生共模辐射的条件

产生共模辐射的条件有两个，一是共模驱动源，一个是共模天线。

任何两个金属体之间存在射频电位差，就构成一副不对称振子天线，两个金属导体分

别是天线的两个极，对于一个开关电源来说，如下图所示：

图4 中C7 是开关管和散热器之间的耦合电容，散热器和与开关管D 极相连接的印制线为天线的两个极，在分析时可以简化为下图5：

图中，Vs 为骚扰源，对图4 来说，就是开关管VT2 的D 极，L1、L2 相当于天线的两个极，一个极是与开关管D 极相连的印制线，另外一个极是散热器及与之相连的接地线，C是天线两极之间的耦合电容，即图4 中开关管与散热器之间的耦合电容。

共模辐射主要有天线上的共模电流的大小决定，因此，天线两极 L1、L2 之间的耦合电容越大，辐射功率越大。

另外，当天线的两个极的总长度大于λ/20时，才能向外辐射能量，并且当天线的长度与骚扰源的波长满足下列条件时，辐射能量才最大。

3.2 开关电源的辐射源

要解决和减小开关电源的电磁辐射，首先要了解开关电源的辐射源在那儿。对于一个前级带有PFC 功率因数矫正电路的开关电源来说，辐射骚扰的源主要分布下面几个地方（开关电源中的辐射源例如驱动等，相对于下面所列的要弱的多，所以可以不与考虑）。

1. PFC 开关管

2. PFC 升压二极管

3. DC/DC 开关管

4. DC/DC 的整流管、续流管

5. PFC 升压电感

6. DC/DC 变压器

● PFC 开关管和DC/DC 开关管的辐射原理如上面所述，属于电压驱动模式的驱动源，升压电感和变压器属于差模骚扰源，主要原因是漏感的存在，导致电磁能量泄露，向外发射电磁能量。

● PFC 升压二极管和DC/DC 的整流二极管在反向截止时，存在反向恢复电流，如下图所示：

图中所示的是实际测试的PFC 升压二极管关断瞬间的反向恢复电流（不加吸收的情况下），在图4 中，该反向恢复电流主要通过C6、VD1、VT2 构成回路，形成差模辐射，另外，由于由于引线电感的存在，很小一部分的电流会通过散热器与开关管VT2 之间的耦合电容C7 向外流，形成共模辐射。

DC/DC 的整流二极管和续流管的反向恢复电流会导致二极管的反向电压出现很高的电压尖峰，下图 7 是正激电路的输出滤波电路。

图7 中，TI 是变压器，VD1、VD2 分别是整流管和续流管，由于整流管、续流管在由导通转向截止时有反向恢复电流，该反向恢复电流在VD1、VD2 两端产生比较高的电压峰值，由于快恢复二极管的反向恢复电流在几十nS，所以峰值电压的频率较高，其基波频率在几十MHz，由于频率很高，辐射能力很强，下图8 是整流管和续流管的电压波形。

在上图7 中，整流管、续流管固定在散热器上，散热器接大地，由于二极管的阴极与管壳的散热板直接相连，管壳的散热板与散热器之间就形成了耦合电容，整流管、续流管在截止时产生的高压尖峰就通过耦合电容流动，产生共模辐射，输出线和地分别是天线的两个极。

●开关电源其他的辐射源如印制线与机壳之间分布电容引起的共模辐射、内部电路工作时产生的差模辐射等，与前面的几个辐射源相比要小得多。

3.3 辐射骚扰的解决措施

上面分析了辐射骚扰产生的原因和开关电源的辐射源，再解决开关电源的辐射问题就比较容易了。

3.3.1 开关管发射源引起的辐射发射

上面所介绍的输入端口的传导骚扰，是通过输入线向外发射的，同时，输入线又是一个天线，共模电流在流过输入线的时候，就会向空间发射电磁能量，产生辐射骚扰，因此对于上面解决传导发射的措施，在减小了传导发射的同时，也大大减小了输入端口的辐射发射。

对于辐射源 DC/DC 开关管，也可以采取与PFC 开关管的相同的措施，来减小驱动源的电压幅度，较小辐射发射的强度。

下面图 9 是采取在PFC 开关管散热器对PFC 输出地加电容与不加电容辐射强度的对比。

图中，前面是加电容的，后面是不加电容的，从两个图中可以看出，在50MHZ 附近，辐射骚扰电平在加了电容以后降低了尽10DB，在120MHZ 到220MHZ 的频率范围内也降低了10DB 左右。

3.3.2 DC/DC 整流管、续流管发射源

对于 DC/DC 整流管、续流管发射源，除了增加吸收，减小二极管两端的峰值电压、在二极管的管脚上套饱和磁环以减小反向恢复电流外，还可以采取以下措施。

1. 在整流管、续流管与散热器的接触点附近对输出地接电容，如下图 10 所示：

图中C2 是二极管VD1 和VD2 与散热器之间的耦合电容，容量一般在几十PF，C3 是增加的电容，C3 要远大于C2，DC/DC 整流管、续流管上的电压峰值经过C2 与C3 的分压，幅度大大降低，就可以大大减小向外的辐射。

2. 采用如下图 11 所示的电路形式。

在上图的电路形式中，将输出滤波电感放在输出的负端，VD1、VD2 的输出直接接在输出滤波电容的正端，这样，整流管、续流管的阴极接固定电平，通过阴极连接的散热面与散热器之间的耦合电容向外流动的共模电流就会大大减小，从而大大减小输出端口的辐射电平。

3.3.3 机箱屏蔽

开关电源的辐射除了上述的辐射源主要通过输入输出端口向外辐射以外，电源的控制电路、驱动、辅助电源、变压器、电感等直接向空间辐射电磁能量，因此需要采用机箱进行屏蔽，机箱屏蔽要考虑机箱的材料、厚度和孔缝对屏蔽效能的影响。

1.吸收损耗

当电磁波进入金属屏蔽体后会产生感应电流，变为热能而消耗掉，所以电磁波进入金属导体中以指数的方式很快衰减，传输距离很短。

我们将电磁波衰减到原来 1/e，即0.37 倍时的距离称为集肤深度δ

集肤深度δ与材料的性能和频率有关，可用下面的公式表示：

公式中，μ是材料的磁导率，σ是材料的电导率。

2. 反射损耗

当电磁波到达两种介质表面时，因阻抗不匹配而发生反射，所引起的电磁波能量损耗称为反射损耗。

辐射骚扰所测试的频率范围是 30MHz～1000MHz。如果单纯的只考虑30MHz 以上的电磁屏蔽，薄薄一层的导体就可以达到很高的屏蔽效能，但对于频率比较低的电场或磁场，就要考虑屏蔽所使用的材料和厚度了。

3. 孔缝对屏蔽的影响

在实际的应用当中，机箱上总是存在有接线孔、通风孔以及机箱各面之间的连接缝隙，如果机箱的孔缝尺寸不合理，将使屏蔽效能大大降低，一般来说，孔缝的尺寸应小于十分之一到百分之一的波长，才能达到相应的屏蔽效果。如果上限频率按1000MHz 来考虑，孔缝的尺寸应小于：3～0.3cm。由于开关电源的电磁辐射频率范围一般在30MHz 到500MHz 之间，屏蔽的上限频率可以按500MHz 来考虑。