电磁兼容（EMC）设计：工作频率65kHz，而高频干扰从哪来

目录

1 导言

2 时域信号频域分析

3 高频辐射根因

3.1 开关电源典型寄生电容

3.2 电流驱动模式

3.3电压驱动模式

3.4 磁耦合驱动模式

---

1 导言

        现在产品的电源电路基本采用开关电源，只有少数的才是工频变压器。AC-DC电源的典型工作频率通过是几十kHz到一百多kHz。而EMI测试项目里传导发射和辐射发射的测试频段是从0.15~30MHz和30MHz~1GHz。遇到不少小伙伴的提问：为何65kHz的工作频率会产生高达300MHz的干扰呢？300MHz相对65kHz都快4600倍了，高次谐波的能量不至于这么强。是的300MHz的干扰并不是工作频率65kHz的高次谐波所致。要把这个问题讲清楚，需要补充一些电磁兼容基本知识。

2 时域信号频域分析

开关电源的65kHz工作频率是一个周期信号。

周期信号：随时间重复的时域信号或波形，见下示意图。

       周期信号在EMC领域需要关注的是经傳里叶级数变换后的谐波。若开关电源的差模滤波电路设计不好，在传导发射测试的150~500kHz频段会看到明显的工作频率的高次谐波分量。如下图示的3，4两个频点，因此在做端子电压测试时，只要看到如此规律的脉冲波形，基本都是开关频率的倍频，可以让测试人员将这这些相邻的脉冲峰值点标注出来，再掏出手机，点开计算器，核算一下。如是这般的情况那差模滤波电路需要加强设计。

3 高频辐射根因

        任何元器件在低频与高频特性都不一样，高频特性需要考虑其寄生参数的影响，比如下图是电阻的高频等效电路。对于寄生电容这种看不见的元器件是需要用经验去判定的。因为任何两个导体间有绝缘介质时，便形成了电容。因此一个产品内部存在无数的寄生电容，而65kHz的高频干扰也就是通过这些寄生电容和寄生电感形成的各种天线效应对外辐射的结果。想象一下，原本熟悉的开关电源或产品结构里，任意两导体间都增加一个寄生电容，这个电路模型的分析难度将成指数增长。我们也不需要将每一个路径都分析清楚，但是要能分析出其中的主要路径，并加以处理，方能使产品的EMI合格。

3.1 开关电源典型寄生电容

如下图是开关电源的典型寄生电容分布，可大体归纳为：

整流桥二极管的寄生电容；

储能电容寄生电容；

变压器初级线圈、初次级、以及各引脚间寄生电容；

MOS管DS，GS，DG寄生电容；

功率回路走线间寄生电容；

功率回路和次级回路对地寄生电容；

        以上这些寄生电容都是pF级别，对应的频率几百MHz以上。这就不难理解为何65kHz的工作频率为何会有高达300MHz的干扰。其中以共模电流干扰为主，主要有电流驱动模式、电压驱动模式和磁耦合驱动模式三种。

3.2 电流驱动模式

        差模电流通常是电路中的正常工作信号，在PCB走线阻抗控制完美的情况下，基本没有共模电压的形成。但实际情况是PCB走线阻抗必存在突变，也就形成了电压降转化为共模电压。这个共模电压产生的共模电流便是电流驱动模式，典型的如下图示的环路辐射天线。

       开关电源中开关管的源极到储能大电解电容的PGND走线需要尽量粗短，且单点接地，减少共模电压的转换。

3.3电压驱动模式

         开关电源MOS的漏极工作电压通常为高压信号，典型值为500V~600V左右。该电压直接通过寄生电容耦合到邻近的PCB走线或线缆上形成电压驱动式的共模电流。典型的天线驱动模式为下图示的单极天线。

        因此开关MOS管的漏极与其它路线尽量远离，并且从安全角度来讲，在变压器初级MOS管的漏极与线路的爬电距离＞5mm，可参考家用电器安规标准GB 4706.1中的功能绝缘爬电距离要求。

3.4 磁耦合驱动模式

         开关电源功率回路有大的di/dt变化，变化的电流回路产生磁场，该磁场通过线缆的寄生电感形成磁场耦合。典型图如下：

        近场的磁耦合存在于整个开关电源内部，也就是说从功率回路干扰使得电缆、金属外壳、PCB地以及其寄生电容的大回路中产生共模电流并对外辐射。

        因此功率回路设计应越小越好！

电磁兼容设计专栏持续更新中，欢迎大家关注订阅。