电源技术中的Buck变换器的EMC分析
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2020-12-13
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电源技术中的电源技术中的Buck变换器的变换器的EMC分析分析
摘要：通过对Buck变换器电路的EMC分析，说明了电磁兼容中滤波、接地、缓冲以及合理的PCB设计等技术在
开关电源中的应用。 关键词：开关电源；电磁兼容；电磁骚扰；电磁干扰；耦合通道 引言 开关电源通过改
变开关器件的导通比来有效地控制输出电压和电流的大小。通常它在几十kHz以上的开关频率下工作，当开关导
通时，它将流过浪涌电流Cdv/dt；当开关断开时，其两端将会产生浪涌电压Ldi/dt，形成较强的电磁骚扰源。随
着半导体开关器件的不断发展，开关频率将提高到MHz数量级，使电磁骚扰更加严重。因此，必须采用相应的
措施，加强开关电源的电磁兼容性（EMC）。 电磁兼容性是指在不损失有用信
摘要：摘要：通过对Buck变换器电路的EMC分析，说明了电磁兼容中滤波、接地、缓冲以及合理的PCB设计等技术在开关电源中
的应用。
关键词：关键词：开关电源；电磁兼容；电磁骚扰；电磁干扰；耦合通道
引言引言
开关电源通过改变开关器件的导通比来有效地控制输出电压和电流的大小。通常它在几十kHz以上的开关频率下工作，当
开关导通时，它将流过浪涌电流Cdv/dt；当开关断开时，其两端将会产生浪涌电压Ldi/dt，形成较强的电磁骚扰源。随着半导
体开关器件的不断发展，开关频率将提高到MHz数量级，使电磁骚扰更加严重。因此，必须采用相应的措施，加强开关电源
的电磁兼容性（EMC）。
电磁兼容性是指在不损失有用信号所包含信息的条件下，信息和干扰共存的能力。电力电子装置在其使用环境下，承受来
自外部电磁干扰的同时也向周围环境释放干扰。在设计制造电力电子装置时，应考虑到电力电子装置在工作时所产生的电磁骚
扰不对在同一环境中工作的其它电子设备的运行产生不良影响，同时来自外部环境的电磁干扰又不会影响电力电子装置的工
作。
1 Buck系统的电磁干扰系统的电磁干扰
以下结合Buck变换器来具体讨论电磁干扰产生的原因和条件，从而找出抑制和消除的方法。图1是Buck变换器的原理结构
图。
主电路主要由功率开关管S、肖特基二极管D、滤波电容C、电感L、阻性负载Ro以及无感采样电阻RL组成。此电路的基
本参数是输入端为36V铅酸蓄电池，输出要求为10A恒流，开关频率为50kHz。控制芯片采用SG3525，驱动芯片采用
TLP250。辅助电源采用反激。主电路选择合适的闭环参数是重要的一步，合适的闭环参数可以使电路稳定，产生较小的
EMD。
图2是该系统的电磁兼容性示意图，结合此图分析系统所处的电磁环境及其相互作用的情况。显然，电磁干扰既可发生在
系统内部，又有可能发生在系统之间。
从图2中可以看出，任何一种EMI均由三部分组成：骚扰源、耦合路径和受扰体。骚扰源产生的干扰经耦合途径进入受扰
体，若干扰水平超出受扰体的敏感程度就会影响其正常工作而构成干扰。与数字电路相比，由于开关电源功率开关管的高速开
关动作，它产生的干扰强度较大；骚扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的高频变压器上；开关频率不高，主要干扰形
式是传导干扰和近场干扰。一般解决EMD针对3方面：抑制骚扰源、切断干扰途径和提高受扰体的抗干扰能力。
由此可知Buck的主要骚扰源是开关管和功率二极管。由于开关频率较高，传输的能量又大，故在开关过程中会产生很高的
毛刺。
由于设计的开关电源的几何尺寸远小于30MHz电磁场对应的波长，因此，电磁干扰主要考虑的是传导干扰。MOSFET在
开关过程中产生的电压尖峰和振荡主要通过导线寄生电感和寄生电容干扰受扰体，开关过程越快，尖峰越高，振荡越明显，干
扰越强。
2 电磁干扰的抑制措施电磁干扰的抑制措施
主要从滤波、接地、吸收、PCB布板几个方面进行分析和设计。
2.1 滤波
由于电池存在一定的内阻抗，再加上入端引线上的寄生电感和内阻，将在输入端引起一系列的高频纹波。为了使输入端成
为满足要求的恒压源，需在电路进线端加上EMI滤波器，既抑制了外界对电路的干扰，也阻止了电路对电池的干扰。通常，在
入端并联电解电容和滤高频纹波的电容。电解电容主要滤低频纹波，滤高频纹波的电容采用CBB电容。
由于输出端对电流波形的要求，必须减小输出纹波的大小，因此，也需要在输出端并联大容量的电解电容和较大容量的滤
高频纹波的CBB电容。
另外，需要对集成芯片的去耦滤波电容进行科学的配置。每块集成芯片都接有去耦滤波电容器，在每次开关过程中都重新
充电，以便为芯片供电，去耦电容器的取值一般在470pF～1000pF，采用瓷片或者是CBB电容，用于滤除高次纹波。去耦滤
波电容器必须紧靠集成电路安装，力求最短的电容器引线和最小的瞬态电流回路面积。同时要在整个集成芯片的PCB板上放
置总体去耦电容器，由电源来对它充电，并应安装在电源母线进入PCB板的地方。
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