开关电源EMI设计经验小结

在开关电源设计中，EMI（电磁干扰）是影响电源性能和电磁兼容性（EMC）的关键因素。EMI干扰源主要来自于开关电源内部的功率开关管、整流二极管和高频变压器等元器件。这些元器件在高速切换时会产生高dv/dt和di/dt，即电压和电流的快速变化，从而导致电磁干扰。外部环境中的电网抖动、雷击和外界辐射也会对开关电源产生干扰。为了设计出符合EMC标准的开关电源，以下是一些重要的设计经验和知识点。 开关电源的EMI源包括功率开关管、整流二极管和高频变压器。功率开关管在开启和关闭的过程中，其电压和电流变化率（dv/dt和di/dt）非常高，因此它既是电场耦合也是磁场耦合的主要干扰源。高频变压器的漏感在磁芯关闭时会产生快速的电流变化，从而成为磁场耦合的重要干扰源。整流二极管的反向恢复特性会产生较高的电压变化率，导致电磁干扰。此外，PCB板设计也极其关键，因为它充当了上述干扰源之间的耦合通道。良好的PCB设计能够有效抑制EMI。 在开关电源EMI传输通道方面，可以将其分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰的传输通道主要包括电源内阻、公共地线和公共线路阻抗所引起的电阻传导耦合。辐射干扰的传输通道则涉及到把元器件和导线假设成天线，利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析。在没有屏蔽体的情况下，电磁波的传输通道是空气，而在有屏蔽体的情况下，则需考虑屏蔽体的缝隙和孔洞。 为了抑制EMI，可以采取以下几大措施：减小dv/dt和di/dt以降低干扰峰值和斜率；合理应用压敏电阻以降低浪涌电压；使用阻尼网络抑制过冲；采用具有软恢复特性的二极管降低高频段的EMI；实施有源功率因数校正和其他谐波校正技术；设计合理的电源线滤波器；进行合理的接地处理；采取有效的屏蔽措施；以及执行合理的PCB设计。 对于高频变压器而言，控制漏感是解决EMI问题的重要手段。这可以通过在电气设计和工艺设计上选择合适的磁芯和减小绕组间的绝缘层厚度来实现。同时，增加绕组间的耦合度也有助于减小漏感。此外，为了防止漏磁对周围电路的干扰，可以采用铜箔屏蔽带绕在变压器外部并接地。对于高频变压器的噪声（如啸叫、振动）问题，可以通过用环氧树脂粘接磁心或使用“玻璃珠”胶合剂来加固磁心，抑制相对位移的产生，从而减少噪声。 在开关电源设计中，必须通过优化元器件选择、布局、PCB设计、滤波和屏蔽技术等方法来有效控制EMI，确保电源的稳定性和可靠性，满足电磁兼容性要求。