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開關(guān)電源中的電磁兼容問題難點(diǎn)（一）
日期：2026-01-03 02:46
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摘要： 盡管開關(guān)電源沒有作為一個(gè)大類產(chǎn)品出現(xiàn)在我國的強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證目錄中，但是在信息技術(shù)類設(shè)備提到的12種產(chǎn)品中，將計(jì)算機(jī)的內(nèi)置電源和電源適配器與微型計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)連用的顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)連用的打印設(shè)備、多用途打印復(fù)印機(jī)、掃描儀、充電器、電腦游戲機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、復(fù)印機(jī)、服務(wù)器、金融及貿(mào)易結(jié)算電子設(shè)備等一起列為強(qiáng)制認(rèn)證的產(chǎn)品。
還有更多的電子設(shè)備，盡管在認(rèn)證的實(shí)施細(xì)則中沒有直接提到開關(guān)電源的問題，但是在它的認(rèn)證中（這里指的是廣義“認(rèn)證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認(rèn)證，但有“入網(wǎng)”認(rèn)證要...
盡管開關(guān)電源沒有作為一個(gè)大類產(chǎn)品出現(xiàn)在我國的強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證目錄中，但是在信息技術(shù)類設(shè)備提到的12種產(chǎn)品中，將計(jì)算機(jī)的內(nèi)置電源和電源適配器與微型計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)連用的顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)連用的打印設(shè)備、多用途打印復(fù)印機(jī)、掃描儀、充電器、電腦游戲機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、復(fù)印機(jī)、服務(wù)器、金融及貿(mào)易結(jié)算電子設(shè)備等一起列為強(qiáng)制認(rèn)證的產(chǎn)品。
還有更多的電子設(shè)備，盡管在認(rèn)證的實(shí)施細(xì)則中沒有直接提到開關(guān)電源的問題，但是在它的認(rèn)證中（這里指的是廣義“認(rèn)證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認(rèn)證，但有“入網(wǎng)”認(rèn)證要求）都無一例外提到了要做電磁兼容性試驗(yàn)。由于開關(guān)電源作為這些設(shè)備中與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵部件，所以這些試驗(yàn)都和開關(guān)電源的電磁兼容性有關(guān)。因此，無論開關(guān)電源是不是作為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品參加強(qiáng)制產(chǎn)品認(rèn)證，但作為電子設(shè)備與電網(wǎng)連接的一個(gè)首當(dāng)其沖的部件，只要這個(gè)產(chǎn)品需要參加認(rèn)證，那么開關(guān)電源都必須經(jīng)受電磁兼容性試驗(yàn)。
迄今為止，開關(guān)電源電磁兼容性測(cè)試的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，但是在參加強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證的信息技術(shù)設(shè)備類產(chǎn)品，在“機(jī)內(nèi)開關(guān)電源的認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表”（國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)頒布）中列出了3個(gè)電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目，分別是0.15MHz ～ 30MHz 電源端傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試；30MHz～1000MHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試；暫態(tài)諧波電流測(cè)試。十分明顯，這幾項(xiàng)試驗(yàn)都是測(cè)試開關(guān)電源自身工作中所產(chǎn)生的電磁騷擾，分別是對(duì)射頻性質(zhì)的傳導(dǎo)騷擾電壓和輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試；以及對(duì)電網(wǎng)污染的諧波電流測(cè)試。為了保證設(shè)備之間的電磁兼容性，對(duì)開關(guān)電源的這三項(xiàng)測(cè)試是適當(dāng)?shù)?，也是必須的?/span>
關(guān)于開關(guān)電源認(rèn)證中遇到的這些電磁兼容問題，都是近年開關(guān)電源業(yè)界討論的熱點(diǎn)，其中開關(guān)電源的諧波抑制的話題，在每年都有大量的文章見諸于技術(shù)雜志和書刊。而有關(guān)開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射騷擾的抑制問題的談?wù)搫t略見少些，為此，我在以前的電源工程師的聚會(huì)上曾經(jīng)就《開關(guān)電源的騷擾抑制問題》作過交流，著重說了一個(gè)開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾抑制問題。這次則想重點(diǎn)介紹開關(guān)電源的輻射騷擾的抑制問題。
2. 開關(guān)電源的輻射騷擾限值
按GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備無線電騷擾限值和測(cè)量方法》的要求。不同頻率范圍的A級(jí)和B級(jí)設(shè)備輻射騷擾限值見表1所示。
在標(biāo)準(zhǔn)中，限值是以測(cè)試距離為10m給出的，但試驗(yàn)常常會(huì)在3m測(cè)量距離的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，這時(shí)要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 來修正。舉例說， B 級(jí)設(shè)備在10m 處、在30 ～ 230 MHz 頻段內(nèi)的限值為30dBμV/m ，而在3m測(cè)量距離的限值應(yīng)修正為40dBμV/m ；同樣在230～1000MHz頻段內(nèi)應(yīng)修正為47dBμV /m。
3. 測(cè)試輻射騷擾發(fā)射的試驗(yàn)配置
按照GB9254標(biāo)準(zhǔn)的要求，受試設(shè)備的輻射騷擾發(fā)射試驗(yàn)在電波暗室中進(jìn)行（圖1），基本的試驗(yàn)儀器是兩件：接收天線和帶有準(zhǔn)峰值檢波的干擾接收機(jī)。測(cè)試距離通常為3m。
4.開關(guān)電源的輻射騷擾抑制問題
開關(guān)電源的設(shè)計(jì)至今仍十分依賴實(shí)驗(yàn)室的工作，采取先搭板試驗(yàn)，再逐步調(diào)整的辦法。隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高，使處理問題的難度也越來越大。*好的辦法是，設(shè)計(jì)人員對(duì)線路的工作要有一個(gè)預(yù)判，在搭板的過程中把其中的電磁兼容問題考慮在印刷線路板的布局和布線當(dāng)中，相信對(duì)加快開關(guān)電源的開發(fā)過程會(huì)起到一個(gè)事半功倍的效果。
通常印刷線路板（泛指所有電子設(shè)備的印刷線路板）自身的電磁兼容問題與線路板里的電磁干擾源、干擾耦合路徑及受干擾的敏感部件有關(guān)系。
但是對(duì)開關(guān)電源這樣設(shè)備的電磁兼容問題，就不止是一個(gè)自身的電磁兼容問題，還有向外的騷擾發(fā)射問題，當(dāng)然還有一個(gè)外界的電磁騷擾對(duì)開關(guān)電源的干擾問題。這里著重討論開關(guān)電源向外的騷擾發(fā)射問題，特別是輻射騷擾發(fā)射的問題。
我們知道，當(dāng)傳輸線或印刷線路板里有射頻電流通過時(shí)，該電流從電流發(fā)生電路流出，到達(dá)負(fù)載后，還要通過返回路徑回到電流發(fā)生器，形成電流的閉合回路。電流在流過閉合回路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。按照電磁場(chǎng)理論，伴隨磁場(chǎng)產(chǎn)生的同時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輻射的電場(chǎng)。通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互作用就形成了射頻輻射能量的產(chǎn)生與傳播。這就是印刷線板引起輻射干擾的主要原因。
這樣看來，消除印刷線路板中磁場(chǎng)的發(fā)生是消除電磁干擾源的主要手段，其中印刷線路板的布局和布線便成為印刷線路板設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)時(shí)這個(gè)問題尤其突出，因?yàn)殚_關(guān)電源是功率電路，高頻與大電流是開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要問題。
4.1 開關(guān)電源的輻射騷擾發(fā)生
圖2 是介紹在《開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾抑制問題》時(shí)用于說明電源中電磁騷擾產(chǎn)生與耦合途徑的示意圖。
在開關(guān)電源工作時(shí)，初級(jí)逆變回路中的開關(guān)管Q處在高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T初級(jí)線圈、開關(guān)管Q和輸入濾波電容C8形成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。這個(gè)環(huán)路的存在，就可能對(duì)空間形成電磁輻射。
開關(guān)電源在工作時(shí)，次級(jí)整流回路的D5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級(jí)線圈、整流二極管D5和濾波電容C9構(gòu)成了高頻開關(guān)電流的環(huán)路。由于有這個(gè)環(huán)路的存在，同樣也有可能對(duì)空間形成電磁輻射。
另外，初級(jí)回路中變壓器漏感的存在會(huì)加劇初級(jí)開關(guān)管電壓波形的變化，進(jìn)而影響開關(guān)電源經(jīng)由開關(guān)管散熱器向外傳遞的共模電流的高頻成份，加劇輻射的共模發(fā)射。
而次級(jí)整流回路整流二極管在截止瞬間非常劇烈的電流變化，會(huì)在次級(jí)整流回路（因變壓器漏感和二極管結(jié)電容存在的回路）中產(chǎn)生高頻衰減振蕩，加劇了對(duì)外的差模輻射。
4.2 由“環(huán)天線”引起的電磁輻射
開關(guān)電源工作時(shí)，由于有初級(jí)逆變回路和次級(jí)整流回路兩個(gè)電流發(fā)生瞬變的環(huán)路存在，這樣，變化的電流必然會(huì)伴生一個(gè)變化的磁場(chǎng)。而變化的磁場(chǎng)又要產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化將會(huì)交替地產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)、互相垂直、以光速在空間內(nèi)傳播能量的形式，形成了開關(guān)電源電磁輻射的發(fā)射。
圖3是由初級(jí)逆變回路和次級(jí)整流回路中的差模電流所產(chǎn)生的輻射矢量示意圖。
其磁場(chǎng)強(qiáng)度H可近似用以下方程計(jì)算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
電場(chǎng)強(qiáng)度E可近似用以下方程計(jì)算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位A/m
Eφ是電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；
I是環(huán)中的電流，單位A；
A是環(huán)路的面積，單位m2；
r是計(jì)算點(diǎn)與環(huán)中心的距離，單位m；
f是頻率，單位Hz；
λ是頻率所對(duì)應(yīng)的波長；
θ計(jì)算點(diǎn)與環(huán)中心垂直軸的夾角。
以上各式適用于自由空間的小型天線，且天線周圍沒有任何反射物體。
在電場(chǎng)強(qiáng)度E的計(jì)算公式中，**項(xiàng)是自由空間的傳輸特性；**項(xiàng)是輻射源的特性；第三項(xiàng)是輻射源向遠(yuǎn)處傳輸時(shí)的電場(chǎng)衰減特性；*后一項(xiàng)是以輻射環(huán)平面中心垂直軸為參考，與測(cè)量天線方向的夾角。
由于大多數(shù)電子設(shè)備的輻射測(cè)量都不是在自由空間里進(jìn)行，而是在地面開闊場(chǎng)上進(jìn)行測(cè)量，地面的反射會(huì)使輻射發(fā)射的測(cè)量值增大，*大可達(dá)1倍。
考慮了地面反射的影響，則電場(chǎng)強(qiáng)度的*大發(fā)射表達(dá)式可改寫為：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模發(fā)射的水平。
利用此式還可以知道，若想減小環(huán)路天線的向外輻射，應(yīng)該從減小電流、減小環(huán)路面積和降低工作頻率入手。
還有更多的電子設(shè)備，盡管在認(rèn)證的實(shí)施細(xì)則中沒有直接提到開關(guān)電源的問題，但是在它的認(rèn)證中（這里指的是廣義“認(rèn)證”，有一些產(chǎn)品不需要3C認(rèn)證，但有“入網(wǎng)”認(rèn)證要求）都無一例外提到了要做電磁兼容性試驗(yàn)。由于開關(guān)電源作為這些設(shè)備中與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵部件，所以這些試驗(yàn)都和開關(guān)電源的電磁兼容性有關(guān)。因此，無論開關(guān)電源是不是作為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品參加強(qiáng)制產(chǎn)品認(rèn)證，但作為電子設(shè)備與電網(wǎng)連接的一個(gè)首當(dāng)其沖的部件，只要這個(gè)產(chǎn)品需要參加認(rèn)證，那么開關(guān)電源都必須經(jīng)受電磁兼容性試驗(yàn)。
迄今為止，開關(guān)電源電磁兼容性測(cè)試的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，但是在參加強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證的信息技術(shù)設(shè)備類產(chǎn)品，在“機(jī)內(nèi)開關(guān)電源的認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表”（國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)頒布）中列出了3個(gè)電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目，分別是0.15MHz ～ 30MHz 電源端傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試；30MHz～1000MHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試；暫態(tài)諧波電流測(cè)試。十分明顯，這幾項(xiàng)試驗(yàn)都是測(cè)試開關(guān)電源自身工作中所產(chǎn)生的電磁騷擾，分別是對(duì)射頻性質(zhì)的傳導(dǎo)騷擾電壓和輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試；以及對(duì)電網(wǎng)污染的諧波電流測(cè)試。為了保證設(shè)備之間的電磁兼容性，對(duì)開關(guān)電源的這三項(xiàng)測(cè)試是適當(dāng)?shù)?，也是必須的?/span>
關(guān)于開關(guān)電源認(rèn)證中遇到的這些電磁兼容問題，都是近年開關(guān)電源業(yè)界討論的熱點(diǎn)，其中開關(guān)電源的諧波抑制的話題，在每年都有大量的文章見諸于技術(shù)雜志和書刊。而有關(guān)開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射騷擾的抑制問題的談?wù)搫t略見少些，為此，我在以前的電源工程師的聚會(huì)上曾經(jīng)就《開關(guān)電源的騷擾抑制問題》作過交流，著重說了一個(gè)開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾抑制問題。這次則想重點(diǎn)介紹開關(guān)電源的輻射騷擾的抑制問題。
2. 開關(guān)電源的輻射騷擾限值
按GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備無線電騷擾限值和測(cè)量方法》的要求。不同頻率范圍的A級(jí)和B級(jí)設(shè)備輻射騷擾限值見表1所示。
在標(biāo)準(zhǔn)中，限值是以測(cè)試距離為10m給出的，但試驗(yàn)常常會(huì)在3m測(cè)量距離的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，這時(shí)要用增加20lg（10/3）＝10dBμV/m 來修正。舉例說， B 級(jí)設(shè)備在10m 處、在30 ～ 230 MHz 頻段內(nèi)的限值為30dBμV/m ，而在3m測(cè)量距離的限值應(yīng)修正為40dBμV/m ；同樣在230～1000MHz頻段內(nèi)應(yīng)修正為47dBμV /m。
3. 測(cè)試輻射騷擾發(fā)射的試驗(yàn)配置
按照GB9254標(biāo)準(zhǔn)的要求，受試設(shè)備的輻射騷擾發(fā)射試驗(yàn)在電波暗室中進(jìn)行（圖1），基本的試驗(yàn)儀器是兩件：接收天線和帶有準(zhǔn)峰值檢波的干擾接收機(jī)。測(cè)試距離通常為3m。
4.開關(guān)電源的輻射騷擾抑制問題
開關(guān)電源的設(shè)計(jì)至今仍十分依賴實(shí)驗(yàn)室的工作，采取先搭板試驗(yàn)，再逐步調(diào)整的辦法。隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高，使處理問題的難度也越來越大。*好的辦法是，設(shè)計(jì)人員對(duì)線路的工作要有一個(gè)預(yù)判，在搭板的過程中把其中的電磁兼容問題考慮在印刷線路板的布局和布線當(dāng)中，相信對(duì)加快開關(guān)電源的開發(fā)過程會(huì)起到一個(gè)事半功倍的效果。
通常印刷線路板（泛指所有電子設(shè)備的印刷線路板）自身的電磁兼容問題與線路板里的電磁干擾源、干擾耦合路徑及受干擾的敏感部件有關(guān)系。
但是對(duì)開關(guān)電源這樣設(shè)備的電磁兼容問題，就不止是一個(gè)自身的電磁兼容問題，還有向外的騷擾發(fā)射問題，當(dāng)然還有一個(gè)外界的電磁騷擾對(duì)開關(guān)電源的干擾問題。這里著重討論開關(guān)電源向外的騷擾發(fā)射問題，特別是輻射騷擾發(fā)射的問題。
我們知道，當(dāng)傳輸線或印刷線路板里有射頻電流通過時(shí)，該電流從電流發(fā)生電路流出，到達(dá)負(fù)載后，還要通過返回路徑回到電流發(fā)生器，形成電流的閉合回路。電流在流過閉合回路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。按照電磁場(chǎng)理論，伴隨磁場(chǎng)產(chǎn)生的同時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輻射的電場(chǎng)。通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互作用就形成了射頻輻射能量的產(chǎn)生與傳播。這就是印刷線板引起輻射干擾的主要原因。
這樣看來，消除印刷線路板中磁場(chǎng)的發(fā)生是消除電磁干擾源的主要手段，其中印刷線路板的布局和布線便成為印刷線路板設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)時(shí)這個(gè)問題尤其突出，因?yàn)殚_關(guān)電源是功率電路，高頻與大電流是開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要問題。
4.1 開關(guān)電源的輻射騷擾發(fā)生
圖2 是介紹在《開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾抑制問題》時(shí)用于說明電源中電磁騷擾產(chǎn)生與耦合途徑的示意圖。
在開關(guān)電源工作時(shí)，初級(jí)逆變回路中的開關(guān)管Q處在高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T初級(jí)線圈、開關(guān)管Q和輸入濾波電容C8形成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。這個(gè)環(huán)路的存在，就可能對(duì)空間形成電磁輻射。
開關(guān)電源在工作時(shí)，次級(jí)整流回路的D5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級(jí)線圈、整流二極管D5和濾波電容C9構(gòu)成了高頻開關(guān)電流的環(huán)路。由于有這個(gè)環(huán)路的存在，同樣也有可能對(duì)空間形成電磁輻射。
另外，初級(jí)回路中變壓器漏感的存在會(huì)加劇初級(jí)開關(guān)管電壓波形的變化，進(jìn)而影響開關(guān)電源經(jīng)由開關(guān)管散熱器向外傳遞的共模電流的高頻成份，加劇輻射的共模發(fā)射。
而次級(jí)整流回路整流二極管在截止瞬間非常劇烈的電流變化，會(huì)在次級(jí)整流回路（因變壓器漏感和二極管結(jié)電容存在的回路）中產(chǎn)生高頻衰減振蕩，加劇了對(duì)外的差模輻射。
4.2 由“環(huán)天線”引起的電磁輻射
開關(guān)電源工作時(shí)，由于有初級(jí)逆變回路和次級(jí)整流回路兩個(gè)電流發(fā)生瞬變的環(huán)路存在，這樣，變化的電流必然會(huì)伴生一個(gè)變化的磁場(chǎng)。而變化的磁場(chǎng)又要產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化將會(huì)交替地產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)、互相垂直、以光速在空間內(nèi)傳播能量的形式，形成了開關(guān)電源電磁輻射的發(fā)射。
圖3是由初級(jí)逆變回路和次級(jí)整流回路中的差模電流所產(chǎn)生的輻射矢量示意圖。
其磁場(chǎng)強(qiáng)度H可近似用以下方程計(jì)算：
Hθ(θ)=（－πI/r）（A/λ2）sinθ
電場(chǎng)強(qiáng)度E可近似用以下方程計(jì)算：
Eφ(θ)=131.6×10－16（f 2AI）（1/r）sinθ
式中：Hθ是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位A/m
Eφ是電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；
I是環(huán)中的電流，單位A；
A是環(huán)路的面積，單位m2；
r是計(jì)算點(diǎn)與環(huán)中心的距離，單位m；
f是頻率，單位Hz；
λ是頻率所對(duì)應(yīng)的波長；
θ計(jì)算點(diǎn)與環(huán)中心垂直軸的夾角。
以上各式適用于自由空間的小型天線，且天線周圍沒有任何反射物體。
在電場(chǎng)強(qiáng)度E的計(jì)算公式中，**項(xiàng)是自由空間的傳輸特性；**項(xiàng)是輻射源的特性；第三項(xiàng)是輻射源向遠(yuǎn)處傳輸時(shí)的電場(chǎng)衰減特性；*后一項(xiàng)是以輻射環(huán)平面中心垂直軸為參考，與測(cè)量天線方向的夾角。
由于大多數(shù)電子設(shè)備的輻射測(cè)量都不是在自由空間里進(jìn)行，而是在地面開闊場(chǎng)上進(jìn)行測(cè)量，地面的反射會(huì)使輻射發(fā)射的測(cè)量值增大，*大可達(dá)1倍。
考慮了地面反射的影響，則電場(chǎng)強(qiáng)度的*大發(fā)射表達(dá)式可改寫為：
Eφ(θ)=263×10－16（f 2AI）（1/r）
此式可用于估算差模發(fā)射的水平。
利用此式還可以知道，若想減小環(huán)路天線的向外輻射，應(yīng)該從減小電流、減小環(huán)路面積和降低工作頻率入手。
