淺析一款USB充電電源的EMC改善方法

管 丹 張芝嶺 魏海鋒

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

緒論

隨著電磁時(shí)代的發(fā)展，電磁能的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用，越來(lái)越多的電子設(shè)備被用于平時(shí)的生活與工業(yè)設(shè)計(jì)，如常見(jiàn)的家用轉(zhuǎn)換器、無(wú)線通信、機(jī)型自動(dòng)化等設(shè)備，雖為我們的生活帶來(lái)便利與財(cái)富，但同時(shí)也使得電磁污染問(wèn)題顯現(xiàn)而出。

在一般家用電器設(shè)及中主要設(shè)計(jì)到的電磁兼容性問(wèn)題主要包含傳導(dǎo)干擾（CE）、輻射干擾（RE），以上兩種均屬于電磁干擾（EMI）。傳導(dǎo)干擾因?yàn)楦蓴_信號(hào)傳輸方式分為共模干擾（CMI）和差模干擾（DMI），共模干擾在傳輸過(guò)程中以兩條導(dǎo)線做去線，地線做返回路線，其的高頻輻射效應(yīng)對(duì)電路造成嚴(yán)重影響，差模干擾以兩更導(dǎo)線分別作為往返傳導(dǎo)路線，影響于元件的工作狀態(tài)；電路如圖1、2 所示。

圖1 共模干擾電路

對(duì)于電磁干擾，在電路設(shè)計(jì)中，可從其騷擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備三個(gè)方面考慮。電磁騷擾產(chǎn)生設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁噪聲、無(wú)用信號(hào)或使用媒介自身的變化，是電磁干擾的產(chǎn)生源。騷擾傳輸通道將干擾信號(hào)耦合傳遞到敏感設(shè)備，常見(jiàn)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾其實(shí)就是電磁干擾的兩種不同的耦合方式。傳導(dǎo)耦合通過(guò)完整的傳輸通路將干擾信號(hào)從干擾源傳遞到敏感器件，此通路可包括電路中的導(dǎo)線、電阻等各種器件。輻射耦合的傳播方式是以干擾源為中心，以電磁波的形式向空間發(fā)射。常見(jiàn)的輻射耦合方式有三種：甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接受，稱為天線對(duì)天線耦合；空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場(chǎng)對(duì)線的耦合；兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)耦合，稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合[1]。敏感設(shè)備的電磁兼容性由電磁抗擾度表示，合理的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件選取都能影響設(shè)備的EMS。

電磁兼容性除了上述說(shuō)到的電磁干擾（EMI）還包括電磁耐受性（EMS），兩者的區(qū)別在于EMI 是設(shè)備在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)于環(huán)境影響的騷擾現(xiàn)象，EMS 則是運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于環(huán)境中噪音污染的忍受能力。本文以一款30 W USB 充電電源為例重點(diǎn)對(duì)EMI 進(jìn)行分析。

1 開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾

1.1 開(kāi)關(guān)電路的基本原理圖

AC/DC 電路中，輸入交流信號(hào)通過(guò)初次整流濾波電路從交流信號(hào)變?yōu)橹绷鬏斎腚妷海瑸V波電路對(duì)于信號(hào)進(jìn)行初次濾波，然后依次通過(guò)變壓器、次級(jí)同步整流、次級(jí)濾波獲得輸出電壓，RCD 高壓吸收電路吸收開(kāi)關(guān)通斷產(chǎn)生的尖峰電壓；反饋補(bǔ)償電路獲取電壓輸出端的電壓值反饋給PWM IC 控制電路進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)[3]。電路圖如圖3、4 所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電路原理圖

在開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部，開(kāi)關(guān)控制著輸出端輸出波形的調(diào)節(jié)作用，但是對(duì)于開(kāi)關(guān)管的閉合或者斷開(kāi)操作都會(huì)導(dǎo)致電流與電壓進(jìn)行變化，產(chǎn)生干擾信號(hào)，以致開(kāi)關(guān)電源在使用的過(guò)程中對(duì)環(huán)境中的設(shè)備造成電磁騷擾。

1.2 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生

1.2.1 整流電路的電磁干擾

電源電路中初次整流一般都是橋堆整流，當(dāng)市電通過(guò)橋堆后，電壓從交流電壓轉(zhuǎn)換成輸入脈沖電壓形成脈沖電流，將該電流按照傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)包含了基波直流分量、高次諧波，高次諧波產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，導(dǎo)致前端電源線上的電流波形產(chǎn)生突變。

1.2.2 高頻變壓器的電磁干擾

高頻變壓器在使用過(guò)程中也是形成電磁干擾的原因之一。變壓器作為電壓變換的器件使用過(guò)程中，其漏感會(huì)造成電壓尖峰。當(dāng)開(kāi)關(guān)瞬間斷開(kāi)的時(shí)候，部分沒(méi)有傳到二次繞組的能量產(chǎn)生衰減振蕩，此振蕩疊加到關(guān)斷電壓上形成電壓尖峰造成傳導(dǎo)干擾。

1.2.3 整流二極管的電磁干擾

PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路VCC 端的整流二極管在正向?qū)〞r(shí)電路會(huì)儲(chǔ)存載流子，而加反向電壓時(shí)，這部分載流子則會(huì)在反向電場(chǎng)的作用下被復(fù)合掉，產(chǎn)生恢復(fù)電流，恢復(fù)電流的急速衰弱形成尖峰電壓。

2 電磁干擾的抑制及結(jié)果

對(duì)于尖峰電壓的吸收設(shè)計(jì)中，我們鉗位電路和RC吸收緩沖電路，本章設(shè)計(jì)的電路是以RC 吸收緩沖電路對(duì)于尖峰電壓的緩沖作用。其常用于降低尖峰電壓幅度和減小電壓波形的變換率。

2.1 改善措施

2.1.1 濾波電路改善

根據(jù)1.2.1 要求，在設(shè)計(jì)中，濾波電路采用LC Π 型濾波電路抑制差模信號(hào)，使電流更平滑。本文設(shè)計(jì)的Π型電路作為低頻濾波器，在高頻中產(chǎn)生高阻抗，隔絕不必要的高頻信號(hào)。此電路采用兩個(gè)電容串聯(lián)后并聯(lián)電感。Π 濾波器各元件參數(shù)如下：

式中：

Fc—截止頻率；

R—所選電阻阻值；

C—所選電容容值。

式中：

RId—標(biāo)稱特性阻抗；

R—所選電阻阻值；

C—所選電容容值。

式中：

C—等效電容容值；

Fc—截止頻率；

RId—電阻特性阻值。

式中：

C—等效電容容值。

式中：

L—電感量；

RId—電阻特性阻值；

Fc—截止頻率。

由于電路中差模信號(hào)和共模信號(hào)共存，因此在LC π型濾波電路的基礎(chǔ)上添加色環(huán)電感L2 ，但其原理是將電能轉(zhuǎn)換為磁能后重新轉(zhuǎn)換為電能產(chǎn)生噪聲或者輻射磁力，電感阻抗值相對(duì)磁珠較小；電流導(dǎo)通能力較弱，濾波不完全，存在尖峰電壓，故采用將磁力封閉在磁環(huán)內(nèi)，電流導(dǎo)通能力較強(qiáng)、將噪音（電信號(hào)）轉(zhuǎn)換為熱能的磁珠進(jìn)行濾波。改善后電路原理圖如圖5 所示。

圖5 濾波電路原理圖

2.1.2 高頻變壓器的電磁干擾改善

根據(jù)1.2.2 要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用RCD 吸收電路吸收變壓器產(chǎn)生的電感信號(hào)和變壓器外殼接入高壓端，吸收電路采用耐壓高的電容與電阻并聯(lián)后串聯(lián)負(fù)極。

跟據(jù)2.2.1 要求，將變壓器接入高壓端參考地；然因?yàn)楦邏憾说妮斎胄盘?hào)和變壓器自身的漏感、殘留信號(hào)的衰減振蕩信號(hào)產(chǎn)生對(duì)向沖突，使得吸收電路不能完全吸收，調(diào)整為變壓器參考地接濾波電路電解電容EC2 接地端，減小噪音產(chǎn)生。

2.1.3 PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路VCC 端的整流二極管改善

根據(jù)2.2.3 要求，對(duì)于PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路VCC端的整流二極管并聯(lián)電容串聯(lián)電阻的低通濾波電路進(jìn)行濾波。改善電路如圖6 所示。

圖6 PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路改善電路

RC 低通濾波電路是將輸出信號(hào)接在電容兩端，其截止頻率公式：

式中：

fc—截止頻率；

R—所選電阻阻值；

C—所選電容容值。

RC 低通濾波電路通低頻阻高頻，當(dāng)輸入頻率小于截止頻率，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)變化不大，在截止頻率的時(shí)候，輸出信號(hào)振幅下降到輸入信號(hào)的70.7 % 。

RC 濾波電路作為常用的濾波電路是因?yàn)殡娙荼旧聿粌H存在電容量C，還有等效串聯(lián)電阻ESR、等效串聯(lián)電感ESL、等效并聯(lián)電阻EPR。C 和ESL形成串聯(lián)諧振電路在阻抗上呈現(xiàn)容性特性和感性特性。在諧振頻率之前呈現(xiàn)容性阻抗，過(guò)諧振之后，阻抗特性變?yōu)楦行浴＠弥C振頻率公式：

式中：

f—諧振頻率；

C—等效電容量；

ESL—等效串聯(lián)電感量。

可知，在諧振頻率之前，隨著頻率的升高，阻抗逐漸下降；感性阻抗中，隨著阻抗隨著頻率的增大而增大。

2.1.4 其他EMC 改善常用方法

EMC 抑制除了以上屏蔽方式避免產(chǎn)生干擾現(xiàn)象還應(yīng)從電路布線規(guī)劃情況減少被污染的可能。在電子設(shè)計(jì)時(shí)考慮電磁兼容性問(wèn)題，減小寄生電容，可有效減小電磁干擾。高壓吸收電路、高頻變壓器、PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路作為EMC 產(chǎn)生的主要環(huán)路之一，在設(shè)計(jì)時(shí)減小環(huán)路的面積，減小PCB 的尖銳過(guò)度電路采用平滑電路過(guò)度可以從電源自身減小電磁干擾。共模扼流圈和Y 電容的使用也是常用的EMC 抑制的路徑之一，在使用共模線圈時(shí)，確保充沛的電能的情況下采用匝數(shù)較少的線圈確保其產(chǎn)生的電感量噪聲減少[2]。Y 電容連接在相線與地線之間使用時(shí)，連接在噪音較大的導(dǎo)線上減少共模干擾。

Y 電容在使用的過(guò)程中通常采用兩個(gè)串聯(lián)的方式減小容值增大耐壓值。串聯(lián)電路的容值計(jì)算公式如下：

式中：

C—串聯(lián)等效電容值。

根據(jù)2.4.1 要求，用Y 電容鏈接高壓端和低壓端時(shí)串聯(lián)在工字電感前端，利用電感通直流阻交流的特性減小輻射干擾。

2.2 傳導(dǎo)改善效果

本文的30 W USB 充電電源原方案設(shè)計(jì)后，CE 在檢測(cè)頻段超出限制，其中14 MHz 時(shí)超出11 dB，通過(guò)改變Y 電容容值、變壓器外殼接法后改善，測(cè)試頻段中都有10 dB 的余量。改善效果如圖7 所示。

圖7 傳導(dǎo)干擾改善效果圖

2.3 輻射干擾改善結(jié)果

本文中的充電電源在初次檢測(cè)，垂直輻射余量較大，水平輻射的在頻段225.94 MHz 余量?jī)H有1 dB，不符合開(kāi)關(guān)電源測(cè)試要求，在增大Y 電容的容值改善傳導(dǎo)干擾后，水平面的輻射干擾前移，在78.68 MHz 出超出QP 值0.38 dB。本文通過(guò)PWM IC 開(kāi)關(guān)控制電路VCC 端的整流二極管并聯(lián)RC 電路、增加吸收電容，濾波電路色環(huán)電感變更為電磁株，確保共模扼流圈電能的情況下減小匝數(shù)、Y 電容高壓端參考地連接位置改善輻射干擾，最終改善為余量充足，為7.7 dB。垂直輻射改善前后效果如圖8，水平輻射改善效果如圖9。

此次EMC 測(cè)試及其改善中，垂直RE 前后變化不大，主要改善傳導(dǎo)和水平輻射干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文解決一款30 W USB 充電電源設(shè)計(jì)過(guò)程中的EMC 問(wèn)題，從整個(gè)電路入手，按照電路設(shè)計(jì)原理規(guī)劃問(wèn)題點(diǎn)并解決；針對(duì)電路管理，各元件解析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試EMC 相關(guān)項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)，驗(yàn)證措施的有效性，最終滿足。總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于EMC 的研究還在不斷地完善，還未有一套方案能完全改善，而是要理解產(chǎn)生電磁干擾的原因與產(chǎn)生源，根據(jù)不同的方案，采取不同的方案進(jìn)行改善；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮測(cè)試環(huán)境帶來(lái)的差異，留夠充足的余量。