开关电源的PCB布局及EMI滤波器设计

相当好的开关电源设计资料,EMI滤波器设计的注意事项,EMI滤波器的作用等

浙江大学

硕士学位论文

开关电源的PCB布局及EMI滤波器设计

姓名：陈晨

申请学位级别：硕士

专业：电工理论与新技术

指导教师：应群民；潘丽萍；陈恒林

20120302

相当好的开关电源设计资料,EMI滤波器设计的注意事项,EMI滤波器的作用等

浙江大学硕士学位论文

摘要

随着开关电源的迅速发展，各种电力电子设备被广泛应用到工业、商业和军事的领域当中，但开关电源的电磁干扰问题却日益严重。严重恶化的电磁环境对电气、电子系统都将造成危害，减弱并消除开关电源的电磁干扰势在必行。本文简述了开关电源电磁干扰的研究方向和现有的研究成果，并总结了开关电源ＰＣＢ布局和ＥＭＩ滤波器设计的国内外研究现状。

本文研究的主要内容包括以下几个方面：

１．分析了滤波器中主要元器件与主电路之间的近场耦合，通过改变滤波器与主电路之间的距离以及滤波器的元器件与主电路的相对位置来研究ＰＣＢ元器件布局对电磁干扰的影响。

２．建立了Ｂｕｃｋ电路和Ｂｏｏｓｔ电路的共模干扰模型，分析了ＰＣＢ板铺地对共模干扰的屏蔽机理，从减小动态节点对地电容的角度定量评估了ＰＣＢ板铺地对共模干扰的影响，为抑制开关电源的共模干扰提供了理论指导。

３．设计了ＥＭＩ滤波器仿真平台，通过仿真和实验结果的比较，结果显示了设计的仿真平台对于设计ＥＭＩ滤波器具有指导意义，可以辅助工程师进行ＥＭＩ滤波器的设计。

关键词：电磁干扰；ＰＣＢ元器件布局；地平面设计；ＥＭＩ滤波器仿真平台

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｒｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌａｎｄｍｉｌｉｔａｒｙｆｉｅｌｄｓ，ｂｕｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＥＭＤｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃａｕｓｅｓｈａｒｍｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｉｓｉｍｐｅｒａｔｉｖｅｔｈａｔｗｅａｋｅｎｉｎｇａｎｄｄｅｆｅａｔｉｎｇｔｈｅＥＭＩｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＰＣＢｌａｙｏｕｔａｎｄＥＭＩｆｉｌｔｅｒｄｅｓｉｇｎ．

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致谢

论文工作完成之际，回首过去的两年半硕士生涯，我谨向曾关心、帮助和支持过我的老师、同学、朋友以及家人表示衷心的感谢！

我要感谢导师应群民副教授在硕士期间对我的培育、指导和信任。应老师严谨的治学态度、科学的研究方法和务实的处事作风使我受益匪浅，终身难忘，并将深深的影响我今后的工作和学习。

衷心地感谢陈恒林老师在研究生期间对我的指导和帮助，从论文的选题到最终完成，都倾注了陈老师的心血。两年的学习生活，让我充分感受到了陈老师敏锐的学术思维。感谢他给予我宝贵的实习实践机会和给予我精神世界的指引、迷茫困惑的解答和具体细致的指导，他的人格魅力让我至深敬佩，一声感谢愿能承载我内心深重的感激。

感谢我的副导师潘丽萍副教授在研究生期间对我的关心和教育。谦和的态度，让我感受无限的温暖。求精的精神，深深激励着我努力工作和学习。我还要感谢师姐曲晓蕾、师兄李诚，苏祥伟对我的指导和关怀，感谢教２－２２４的兄弟姐妹们对我的支持和帮助，感谢丁俊、胡重庆对我的帮助，感谢师妹沈忱、师弟郑长泵、柯涛、周杨对我的支持。感谢我的室友程艳、孔令稳在平时生活中对我的关心和鼓舞，感谢那些在生活和学习上给予我帮助的同学，与ｅ你们相处的时间将成为我一生中最快乐和美好的回忆。

深深感谢我的父母，硕士生涯的一路走来离不开你们对我一贯的支持、理解、鼓励和帮助，你们永远是我不断前行的动力。

想要完全说出内心最深处的谢意，才体会到言语是多么的匮乏。最后，送上我最真挚的祝福：祝愿幸福平安！希望在未来的学习和工作中，我能够以优异的表现答谢曾经帮助过我的老师、同学和朋友们。

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第１章绪论

１．１课题目的及意义

近几年，开关电源迅速发展，各种电力电子设备被广泛应用到工业、商业和军事的领域当中，功率变换器件正逐步朝着高开关频率，高效率，高功率密度，高可靠性的方向发展，但是电源内部的电磁环境越来越复杂，产生的电磁干扰（ＥＭＩ）对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成了威胁，电磁兼容（ＥＭＣ）ｉ＇口－］题日益严重，严重恶化的电磁环境对电气、电子系统都将造成危害，紧迫的现状促进了ＥＭＣ技术的迅速发展。

同时国际和国内的电磁兼容标准和规范的相继强制执行，例如国际无线电特别委员会的ＣＩＳＰＲ标准‘１１，ＩＥＣ６１０００标准，欧洲ＥＮ系列标准【２】【３】，德国工程师协会ＶＤＥ标准以及我国的国标【４】和军标【５】，以及ＭＩＬ．ＳＴＤ－４６０美国军用标准，美国联邦通讯委员会ＦＣＣ系列标准【６】等等，进一步使得开关电源的电磁兼容成为一个亟待解决的问题。解决开关电源电磁干扰问题可以深入的领域很多，如测试技术，建模技术，抑制技术，ＰＣＢ电路板布局布线优化技术等。

ＰＣＢ的设计和布局对开关电源性能的影响不亚于任何元器件的选择和电路的设计。由于ＰＣＢ上电子元器件的密集度越来越高，所产生的ＥＭＩ问题就越来越多，良好的ＰＣＢ布局对ＥＭＣ的设计起到至关重要的作用。经验丰富的工程师可以在同等条件下得到ＥＭＩ很小的ＰＣＢ布局，这样就可轻松满足法规所要求的标准，同时产品质量有所提高，也减少了项目研发的时间。

ＥＭＩ滤波器是抑制开关电源传导干扰的一个有效措施。但是如果ＥＭＩ滤波器设计不合理，反而会增大电路中的干扰，甚至使电路工作不稳定。对于工程师而言，ＥＭＩ滤波器设计一直被认为是“ＢｌａｃｋＭａｇｉｃ＂，主要有五个原斟刀，首先，ＥＭＩ滤波器并没有一个确定的设计方案。其次，在ＥＭＩ噪声频率范围内输入和输出阻抗不是恒定的，由于这个阻抗的测量很难实施，在实验过程中都是推测得到的。第三，滤波器的实际高频衰减性能比预期值相差很多。第四，滤波器的插入损耗测试方法对整个设计过程产生影响。第五，在文献中提出了设计方法都要求进行非常复杂和费时的测量，有些还要求具备昂贵的设备才能够满足设计要求。

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随着开关电源的发展和电磁兼容法规在海内外普遍实施，ＥＭＩ问题在工业界已经引起了广泛的关注，优化ＰＣＢ布局和良好的ＥＭＩ滤波器都是减小功率变流器ＥＭＩ切实可行的方法。很多国内外的工业界和学术界的研究人员都在积极研究ＰＣＢ的优化设计和ＥＭＩ滤波器问题并且试图发现一些实用的方法，用来设计用于功率变换器的ＥＭＩ滤波器。ＰＣＢ的布局和ＥＭＩ滤波器的设计正是目前开关电源ＥＭＣ领域的两个研究热点。因此，本课题的开展在理论和实用中都有十分重要的意义。

１．２开关电源的电磁干扰

国际电工技术委员会提出，电磁兼容是指电子设备或系统在所处的电磁环响其他设备正常工作的能力‘８１。其中电磁干扰的产生有三个不可或缺的要素：

图１．１电磁干扰三要素

电磁干扰在生活中无处不在，日常生活中最容易受到干扰的就是电视机和

１．２．１开关电源电磁干扰简介境中能够正常运行，并且其本身产生的电磁干扰不致污染周围的电磁环境或影干扰源、耦合途径、噪声接收器，如图１．１。因此电磁兼容设计的任务就是：削弱干扰源的能量，隔离干扰耦合途径以及提高系统抵抗电磁干扰的能力。收音机，图１．２表示影响收音机的常见干扰源。电磁干扰源按其来源可分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源是大自然现象造成的电磁噪声，对于大部分电力电子设备而言，我们只需要考虑雷电这个自然干扰源。人为干扰源是指电气设备或人工装置产生的电磁干扰，其涉及的范围极其广泛，一部分来自发射电磁能量的装置，如广播、电视、通信、导航和雷达等，另一部分是在完成自身功能的同时产生电磁能量的发射，如电动汽车、架空输电线、办公用品、家用电器以及电子医疗器械等。人为干扰源按其物理性质大致分为主要元器件的固有噪声、放电噪声、电磁感应噪声和半导体器件开关过程产生的噪声等，对于开关电源而言，其核心元器件就是功率半导体器件，在半导体器件开关过程中，无论主回路还是控制回路，都存在着高的电流变化率，他们通过引线电感产生较大的电磁干扰，因此其主要干扰即开关过程中产生的

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干扰。

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图１．２影响收音机的常见干扰源

电磁干扰的耦合途径可分为传导干扰和辐射干扰，如图１－３。传导干扰是指干扰信号通过导线或其它元器件耦合到电路上的电磁干扰。这种传输方式必须在干扰源和被干扰设备之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传导到被干扰设备，发生干扰现象。传导干扰又分为直接传导干扰和公共阻抗传导干扰，直接干扰是指噪声直接通过金属导线、电阻器、电感器和电容器等实际存在的元器件耦合到被干扰设备所产生的电磁噪声，而公共阻抗是指噪声通的电磁波长。由于大多数开关电源的工作频率在几十赫兹到数兆赫兹之间，并

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图１．３电磁干扰耦合途径示意图

电磁干扰的噪声接收器是干扰对象的总称，它包括工作环境内的任何物体，

过公共阻抗、接地平板和机壳接地线等耦合到敏感器的电磁干扰。辐射干扰是指电磁噪声的能量以电磁波的形式向空间辐射并耦合到被干扰设备的电磁干扰。辐射干扰分为近场干扰和远场干扰，当观测点距离干扰源小于ｋ／２ｎ看作近场干扰，当距离大于Ｌ／２１ｔ时看作远场干扰，其中九表示干扰源中最高频率分量不是很高，因此产生的干扰主要是传导干扰和近场干扰【９】。敏感体可以是很小的元器件或电路板组件，也可以是用电设备、大型系统等。

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开关电源的ＥＭＩ与数字电路相比，其特点在于：

１）．在半导体器件开关时，其电压、电流变化率大，产生的电磁干扰较大。２）．与数字电路相比，干扰源主要集中在半导体开关器件、散热器、电感和变压器上。

３）．与信号处理线路布线较规则相比，在设计开关电源印刷线路板（ＰＣＢ）时，手工布线因人而异，具有随意性，这就增加了ＰＣＢ分布参数提取的难度。１．２．２开关电源电磁干扰产生机理

开关电源ＥＭＩ产生的最主要原因，就是在半导体开关器件开关过程中产生的高ｄｖ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ会通过电路中的寄生电感和寄生电容产生强烈的电磁干扰。其干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上，如开关管、高频变压器、二极管【１０１。

开关电源ＥＭＩ的传播路径可以分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是指噪声同时作用于两根电源线上，产生同相位，同幅度的脉冲，其干扰信号在电源线和大地之间传输的干扰，它属于不对称干扰。差模干扰是指干扰信号大小相等，方向相反，其在两根电源线传输的干扰，属于对称干扰。以升压型功率因数校正电路（ＢｏｏｓｔＰＦＣ）为例，图１．４和图１．５分别表示在Ｄ１和Ｄ４导通时差模干扰和共模干扰的传播路径。由于共模干扰和差模干扰的产生机理和传播路径都不相同，所以在研究开关电源电磁干扰问题时都将二者分开进行研究。

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图１．４ＤＩ和Ｄ４导通时差模干扰传播路径

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图１．５Ｄ１和Ｄ４导通时共模干扰传播路径

１．２．３开关电源电磁干扰建模

开关电源电磁干扰建模是ＥＭＩ仿真、预测、分析的前提条件，简单且准确的模型是研究电磁干扰产生机理和传播的基础。目前对开关电源辐射电磁干扰的建模研究并不多，主要集中在传导ＥＭＩ建模。

◆无源器件建模

在ＥＭＩ的测量范围内，无源器件如电阻器、电感器和电容器其寄生参数影响它们的高频性能，常用电感器的等效电路为ＲＬＣ并联网络，其高频模型如图１．６，其中Ｒ为等效并联电阻，Ｃ为等效并联电容。电容器的等效电路为ＲＬＣ串联网络，其高频模型如图１．７，其中Ｒ为等效串联电阻，Ｌ为等效串联电感。

图１．６电感高频模型图１．７电容高频模型

对于变压器的建模文献［１ｌ】和［１２】提出利用集总线圈模型和多线圈模型来建立变压器的高频模型，但是由于没有考虑漏感和原副边分布电容等寄生参数的影响，这些模型仅在１５０ＫＨｚ到几兆Ｈｚ之内是准确的，文献［１３】又提出了一种新的方法，其利用传输线理论建立变压器的共模干扰模型，该模型在ＥＭＩ测量范围内（１５０ＫＨｚ￣３０ＭＨｚ）可认为是准确的。

●功率半导体器件建模

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由于开关电源的电磁干扰主要由半导体开关器件的开关过程产生，因此对功率半导体器件的精确建模显得格外重要。很多文献对ＰＩＮ二极管建立了集中电荷模型，但是模型不够精确，工作范围有限。对于功率ＭＯＳＦＥＴ管的高频模型都是用小信号的ＭＯＳＦＥＴ模型代替使用，但是两者的高频特性相差很大。大部分文献在建模过程中都是使用现有的仿真软件中的开关器件模型，但是这些模型并不能很好地反映其真实的高频性能。总之，对于功率半导体器件的高频建模是一项很有挑战性的工作。

●ＰＣＢ寄生参数的提取

目前常用于ＰＣＢ寄生参数提取的软件是Ｉｎｃａ和ＡｎｓｏｆｔＱ３Ｄ。其中，Ｉｎｃａ软件只能计算分布电感，却不能计算分布电容，而通常我们认为分布电感决定差模干扰的大小，同时分布电容决定共模干扰的大小，所以该软件不适宜解决共模干扰的问题。

由于辐射干扰一般通过电磁感应的形式空间传播，具有一定的复杂性，因此开关电源辐射干扰的建模的成果很少。现有的文献一般都是以偶极子作为ＰＣＢ导线的辐射干扰模型，但在实际的高频电流回路中，ＰＣＢ导线不能简单地认为是偶极子，同时文献中只研究了ＰＣＢ导线的辐射干扰，并没有系统地研究电路中其他元器件的辐射。

１．２．４开关电源电磁干扰测试技术

国内外ＥＭＣ标准已经对ＥＭＩ的测量环境、测量条件、测量仪器以及测量方法等做出了严格的规定。ＥＭＩ测试包含的主要内容如图１．８所示。对于大多数开关电源而言，主要测量其传导干扰。需要的测量仪器主要有ＥＭＩ测量接收机、线性阻抗稳定网络（ＬＩＳＮ）、频谱分析仪以及各种电压电流探头等。由于传导干扰从传播方式上看可以分为共模干扰和差模干扰，二者的产生机理、传播路径都不一样，因此在测试传导干扰时最主要的工作就是对共模干扰和差模干扰进行分离。差模抑制网络ｆⅢ、射频电流探头、噪声分离网络ｆ】５】是测试差模、共模干扰的三种方法。差模抑制网络结构简单，差模干扰衰减很大，而对共模干扰的抑制能力很小，所以该网络只适宜测量共模干扰。用射频电流探头测量差模、共模干扰方法简单，但测量结果要经过较复杂的换算才能与标准限值进行比较。用噪声分离网络来测量共模干扰和差模干扰是比较理想的，文献［１５］利用寄生参数实现了阻抗匹配，

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提高了该网络的高频性能，但在噪声分离网络中其关键部件变压器的制作要求较商。

图１．８ＥＭＩ测试分类

１．２．５开关电源电磁干扰抑制技术

由于电磁干扰产生的三要素为干扰源、耦合途径、噪声接收器，因此抑制电磁干扰可以从以下三方面考虑：削弱干扰源的能量，切断干扰的耦合途径以及增强系统抗干扰能力。对开关电源ＥＭＩ抑制措施主要有ＰＣＢ的优化设计、滤波、接地、屏蔽以及软开关技术的使用等。

●ＰＣＢ优化设计

ＰＣＢ的优化设计是抑制电磁干扰最有效也是最经济的方法，主要的抑制技术包括ＰＣＢ的布线，元器件布局和接地。在设计ＰＣＢ时，我们可以大致按照以下原则来进行：１）．按照器件的功能和类型进行布局，对于功能相近的器件放置在一个区域有利于减小布线长度；２）．按照电源类型进行布局。按照不同电压，

●无源滤波

利用ＥＭＩ滤波器是抑制ＥＭＩ最常用的方法之一，选择适当的滤波器结构

不同电路类型分开布局，这样有利于分割，也有利于信号的回流和两种地平面之间的稳定；３）．要考虑共地点的放置，遵循“一点接地＂的原则，将一个导电平面作为参考地，如果电路存在跨地信号，就可能导致信号无法回流，产生很大的电磁干扰；４）．通路的导线应尽可能粗并且短。和元器件参数对抑制电磁干扰有较好的效果。差模干扰和共模干扰分别用差模滤波元件和共模滤波元件进行衰减，这些滤波元件包括滤波电容Ｃ和滤波电感Ｌ。如图１．９为典型的ＥＭＩ滤波器结构，其中Ｃｘ表示差模电容，用来抑制差模ＥＭＩ，ＣＹ接地且成对出现作为共模电容，Ｌｌ是共模电感，即共模扼流圈，它是由两个绕相相反，匝数相同的绕组构成，当市网工频电流流过其中～个绕组

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时，便从另一个绕组中流出，这样产生的磁场抵消，对工频电流没有衰减作用。但当电流中存在共模噪声时，由于共模噪声是同方向的，经过绕组时产生的磁场相互叠加，对于共模噪声而言，共模电感具有较大的阻抗，这样就对共模干扰产生抑制作用。实际上构成共模扼流圈的两个绕组的感值不可能完全相等，恰巧它们的感值差可以作为差模电感，用来充当抑制差模干扰的滤波电感。在设计共模扼流圈的过程中，巧妙地利用这个特点，可以在不含差模滤波电感的情况下就能有效的抑制差模ＥＭＩ，这样可以大大的节省ＥＭＩ滤波器的体积，降低产品的成本。

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图１．９典型ＥＭＩ滤波器结构

●有源滤波

有源滤波通常是从噪声源采取措施来抑制共模干扰，其基本思想就是从主电路中找到与原电磁干扰大小相等、方向相反的补偿ＥＭＩ噪声电压来平衡原来的ＥＭＩ信号。有源滤波不仅可以滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。它反映动作迅速，滤除谐波可达到９５％以上，补偿无功细致，这是无源滤波不能达到的，但是价格较高。在实际应用中，通常将无源滤波器和有源滤波器相结合，这样可以有效的减小滤波器的体积，并能达到更好的ＥＭＩ抑制效果。

●屏蔽

屏蔽技术既能使干扰源的干扰强度降低，同时又能减弱干扰源和被干扰电路之间的耦合，它是实现电磁干扰防护最基本的手段之一。对于电场屏蔽而言，金属屏蔽体必须完整，并且要有良好的接地。磁场屏蔽的主要目的是抑制直流和低频交流磁场干扰源和被干扰电路的磁耦合，可以利用高磁导率材料的屏蔽体进行屏蔽，也可以采用反向磁场抵消的方法实现屏蔽。在屏蔽过程中，要同时屏蔽电场和磁场，这样才能更好的达到屏蔽的效果，有效的抑制电磁干扰。

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●接地

选择良好的接地面不仅可以保障人身和系统安全，还可以很好地抑制ＥＭＩ。电路的公共参考点与大地连接，电流必须经过地线构成回路，因此在选择接地点时要保证信号线与地线构成的回路具有最小的面积，还要保证接地系统的公共阻抗很低，使通过公共阻抗产生的传导干扰最小。接地系统和屏蔽设计正确结合可以解决大部分设备在现场运行时的ＥＭＩ问题。

●软开关技术

由于半导体开关器件在导通和关断时产生高的ｄｖ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ，这是开关电源产生电磁干扰的最主要原因，因此软开关技术也是抑制ＥＭＩ行之有效的方法。软开关技术就是在原来的电路上增加电容和电感等谐振元件，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零或关断前电流先降为零，这样就可以大大降低电压和电流的变化率，进而减小了开关器件带来的干扰【１６】。图１．１０表示常见的软开关多谐振电路。

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图１．１０软开关多谐振电路

除了上述介绍的抑制电磁干扰的方法外，在实际电路的电磁兼容设计中，还有更多针对各电路所采用的不同的ＥＭＩ抑制技术。

１．３ＰＣＢ布局及优化的研究现状

ＰＣＢ的设计和布局对开关电源ＥＭＩ性能的影响有时比元器件的选择和电路的设计所带来的影响更大，设计优良的ＰＣＢ是减小电磁干扰最经济的手段。良好的ＰＣＢ布局对ＥＭＣ的设计起到至关重要的作用。在不改变电路结构和不增加元器件的基础上，通过改变ＰＣＢ板上的元器件的位置和布线设计可以大大削弱电磁干扰。

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工程师和学术研究者逐渐意识到ＰＣＢ布局和设计的重要性，文献【１７】提出了增加ＰＣＢ的宽度可以减小带有地平面的多层ＰＣＢ板的辐射干扰，但是只增加ＰＣＢ的宽度而不改变其长度，辐射干扰减小甚微。文献［１８】提出了减小信号回路和地平面的距离可以削弱ＰＣＢ板产生的辐射，同时还可以通过在ＰＣＢ板上放置像平面使其与地平面的外围相连的方法减小辐射干扰。文献【１９】提出了通过对准静态场的分析来辅助设计ＰＣＢ布局的方法，根据干扰电场的分布图来确定导线的放置位置，依据耦合系数来不断调整导线的大小、方向以及形状。文献【２０】提出了通过减小动态节点寄生电容来优化ＰＣＢ优化设计，但该思路只能用于布线规则且结构简单的电路。文献【２１】研究了解耦电容和ＭＯＳ管组成环路的面积大小对电磁干扰的影响并提出减小动态节点的铺铜面积可以抑制ＥＭＩ。文献【２２】为高速ＰＣＢ电磁兼容设计提供了新的分析方法，其利用解析解表示地面轨迹的线路阻抗和耦合系数，只要满足一定的匹配关系就能减小线路之间的耦合。

虽然在ＰＣＢ板布线时有一些规律可循，但是由于缺乏有效分析电磁干扰的手段，在实际布线过程中往往也采用尝试一纠错一再尝试的设计方法，这种方法不但延长了项目研究周期，更使项目成本大大提高。因此现在人们常用计算机辅助设计（ＣＡＤ）来指导ＰＣＢ电磁干扰的预测和设计，其基本方法就是首先建立传导干扰的ＥＭＩ模型，通过仿真软件预测电磁干扰的大小，若干扰超出规定限制就重新设计ＰＣＢ板的布局，这样在硬件平台中的尝试性设计方法就转移到了软件平台中，但是在仿真软件的建模中，与实际电路存在一定误差，不能很精确地反映实际高频电路的性能。

１．４ＥＭＩ滤波器设计的研究现状

ＥＭＩ滤波器是抑制电磁干扰最有效的手段之一，已经被广泛应用。现有对ＥＭＩ滤波器设计方法的的研究主要为以下方面：文献【２３１最早提出了开关电源的电源线滤波器的设计，思路为首先测试开关电源的差模干扰和共模干扰，然后与ＥＭＩ标准限制进行比较，得到差模和共模干扰应需要的衰减量，最后选择滤波器结构及参数。但是该方法的缺点是在对ＥＭＩ滤波器进行设计的过程中，要根据所需要的衰减量进行预测分析，倘若没有达到预期效果，必须重复上述步骤对ＥＭＩ滤波器进行重新设计，这样的设计过程会花费很多的时间。在后期的文献【２４】中提出了一种快速简洁的滤波器设计方法，在设计二阶滤波器的过程中

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直接按照ＥＭＩ所需要的衰减量和４０ｄＢ／ｄｅｃ的衰减率计算出最低的转角频率，设计的滤波器参数值ＬＣ可以通过公式１．１计算得到。但是该方法指定滤波器的阶数为二阶，并且在设计过程中没有考虑噪声源阻抗和负载阻抗的影响，容易造成ＥＭＩ滤波器设计不准确。

阮≯＝瓦Ｉ

【２６】在前人的工作上将ＥＭＩ滤波器的设计总结为五个步骤：

●分别测量差模和共模干扰源阻抗ｍ，）文献【２５１提出的ＥＭＩ滤波器设计方法可以根据一定的最优化标准，确定出滤波器的阶数、结构和元器件的参数，此种方法不需要固定滤波器的阶数。文献

噪声源的阻抗与功率变流器的拓扑有关，可以根据干扰源阻抗测量方法得到其阻抗。

●确定负载阻抗

在传导干扰测试中，负载阻抗即为ＬＩＳＮ的阻抗，在差模干扰的传播路径中，由于ＬＩＳＮ上的两个５０Ｑ电阻串联，所以其差模阻抗为１００ｆ２，同理共模阻抗为２５ｆ１。

●测量共模和差模噪声频谱并确定所需要的衰减量

利用ＥＭＩ测量接收机、ＬＩＳＮ、频谱分析仪以及各种电压电流探头等测量仪器分别测量共模干扰和差模干扰，然后将所得到的噪声频谱与标准限值进行比较，最后利用式１．２确定共模和差模干扰分别需要的衰减量１２７］。其中Ａ锄和‰分别为共模干扰和差模干扰所需要的衰减量，Ｎ锄和ＮｄＩＩｌ表示测量得到的共模和差模干扰的大小，Ｌｉｍｉｔ为标准限值。由于传导ＥＭＩ测试的结果是共模和差模干扰的和，因此所需要的衰减量应再加上６ｄＢ。

Ａｃｍ＝Ｎｅｍ（ｄＢ）－Ｌｉｍｉｔ（ｄＢ）＋６（ｄＢ）

Ａｄｍ＝Ｎａｍ（ｄＢ）－Ｌｉｍｉｔ（ｄＢ）＋６（ｄＢ）（１．２）

选择滤波器的阶数、结构和元器件的参数

按照ＥＭＩ所需要的衰减量和２０ｎｄＢ／ｄｅｃ的衰减率（ｎ为滤波器阶数得到最低的转角频率，根据公式１．１确定滤波器元器件的参数。 实验验证

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若滤波器的设计满足干扰抑制的要求，则设计过程结束；若加入滤波器后低频段仍然不能满足要求，则重新设计滤波器元器件的参数：若高频段不能满足要求，则是由滤波器的高频寄生参数和电磁耦合引起的。

由于滤波器中电容的引线电感和电感绕组自电容等高频寄生参数和电磁耦合的存在，滤波器的高频性能往往比预期相差很多。在上述ＥＭＩ滤波器设计方法中，ＥＭＩ滤波器的有效滤波范围只在１０ＭＨｚ以内，而传导干扰要求的频率范围是在１５０ＫＨｚ～３０ＭＨｚ。文献［２８】对ＥＭＩ滤波器的高频特征进行了分析，建立了ＥＭＩ滤波器的高频模型，指出高频寄生参数对ＥＭＩ滤波器设计的影响很大，因此在设计ＥＭＩ滤波器的同时要考虑寄生参数的影响。文献【２９】利用双电流头，通过预校正测量装置，可以满足３０ＭＨｚ内较高的精度，文献㈣详尽了对量提取共模扼流圈高频模型参数的改进方法并分析了ＥＭＩ滤波器内部的滤波电容器和电感器的近场耦合特征。

除了对一般开关电源ＥＭＩ滤波器的设计方法外，国内外工程师和科研学者的ＥＭＩ滤波器，首先考虑单级滤波器，若仍高于ＥＭＩ的标准限制，再考虑二

ＰＦＣ的安全地线上加入

从上述文献可以看出，虽然现有的开关电源ＥＭＩ滤波器设计方法比较多，本文首先从滤波器与主电路的近场耦合的角度研究了ＰＣＢ元件布局对开

探头来测量开关电源噪声源阻抗，一个探头用来信号注入，另一个用作接收探ＥＭＩ滤波器进行高频建模并研究了它的寄生效应，在该论文中提出基于阻抗测还提出了针对某个电路的滤波器设计方案。文献【３ｌ】针对逆变器提出一种有源滤波器可以抑制共模电流。文献【３２１是利用尝试法来设计大功率的ＡＣ／ＤＣ变换器级滤波器直至采用多级滤波器结构，最终满足ＥＭＩ的标准要求。文献【３３１在整流桥前接入Ｘ电容来抑制电磁干扰。文献［３钾提出在Ｂｏｏｓｔ滤波电感可以减小共模干扰，但是受到安规的限制，滤波电感的阻抗不能过大。但是还要经过尝试一纠错一再尝试的过程，并且现有的多数ＥＭＩ滤波器的设计方法其有效滤波范围只在１０ＭＨｚ以内，在高频率范围内不能满足ＥＭＩ的标准要求，因此对现有的设计方法进行改善并且为ＥＭＩ滤波器的设计提供新的思路是十分必要的。１．５论文研究主要内容关电源差模干扰的影响，然后定量评估了ＰＣＢ地平面布局对开关电源共模干扰

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浙江大学硕士学位论文

的影响，最后设计了ＥＭＩ仿真平台用以辅助ＥＭＩ滤波器的设计。其主要内容及解决方案如下：

以带有Ｃ．Ｌ滤波器的ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路（如图１．１１）为研究对象，从整个滤波

器、滤波器中的滤波电感和滤波电容三方面分析了该电路的滤波器与主电路、

的近场耦合，进而通过改变滤波器与主电路的布局来测试不同情况下的电磁干扰，分析元件布局对差模干扰的影响。

图１．１１带有Ｃ．Ｌ滤波器的Ｂｏｏｓｔ电路

●从理论上分析元器件的寄生参数对共模干扰的影响，着重并深入分析主要干扰源对地电容对共模干扰的影响。

从减小主要干扰源对地电容的角度分析，考虑ＰＣＢ板铺地对该电容的影响，

以ｂｕｃｋ电路为例利用ＡｎｓｏｆｔＱ３Ｄ软件计算不同的铺地方式的情况下主要干扰源对地电容的变化，定量研究，提出最佳铺地方式，以减小共模干扰。◆以ｆｌｙｂａｃｋ电路为例，如图１．１２和１．１３，建立不同结构的滤波器的高频模型，

进而建立该电路的ＥＭＩ仿真模型，基于ｍａｔｌａｂ编程构建了ＥＭＩ仿真平台，此平台用于辅助ＥＭＩ滤波器的设计。

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一————————————————————————————————————————————————一

＋

Ｖｏ

图１．１２变压器副边接地的ｆｌｙｂａｃｋ电路

◆Ｖ０

图１．１３变压器副边不接地的ｆｌｙｂａｃｋ电路

ＬＮ

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第２章ＰＣＢ元器件布局对电磁干扰的影响

本章以带有Ｃ—Ｌ型滤波器的功率因素校ｊＥ（ＢｏｏｓｔＰＦＣ）电路为例，从滤波器与主电路近场耦合的角度分析了ＰＣＢ元器件的布局对电磁干扰的影响。２．１滤波器与主电路的杂散磁场耦合的分析

图２．１表示带有Ｃ．Ｌ型滤波器的典型ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路。

图２．１带有Ｃ－Ｌ滤波器的Ｂｏｏｓｔ电路

由Ｄ１．Ｄ４组成的桥式整流电路前接有Ｃ．Ｌ滤波器，对于功率变流器的主电路而言，电感Ｌ是磁场能量的主要来源，输入电容Ｃｉｎ为高频噪声提供了低阻抗回路。当功率变流器工作在断续状态时，续流二极管不能产生反向恢复电流，由开关器件Ｍ、二极管Ｄ、输出电容Ｃｍｎ形成的回路的杂散场耦合可以忽略不计，主电路的敏感器件主要是输入电容Ｃｉｎ和电感Ｌ［３６】。由于在Ｂｏｏｓｔ电路中的滤波器和主电路的杂散磁场耦合比电场耦合对ＥＭＩ的影响要大【３５】【３６１，因此我们主要考虑该电路的杂散磁场耦合。

图２．１中存在的近场耦合效应主要有以下几类：

（１）差模滤波电容Ｃｘ与共模扼流圈之间的近场耦合；

（２）变流器输入电容Ｃｉｎ与变流器电感Ｌ之间的近场耦合；

（３）Ｃｘ与Ｃｉｎ之间的近场耦合：

（４）Ｃｘ与Ｌ之间的近场耦合；

（５）ＣｉＩｌ与共模扼流圈之间的近场耦合；

（６）共模扼流圈与Ｌ之间的近场耦合。

其中，（１）是ＥＭＩ滤波器内部的耦合，（２）是变流器内部的耦合，（３）可看成

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