开关电源电磁兼容分析与设计

电子行业中开关电源的设计应用与电磁兼容（EMC）一直以来都是一个难点，同时很少有书籍专门对开关电源EMC进行全面的阐述。本书通过理论到实践，介绍了开关电源电磁兼容的正向设计。正向设计是以电磁兼容理论、方法和过程等效模型为指导，从系统（非隔离的DC-DC电路到隔离系统的反激电路、PFC电路、LLC电路、磁性元件、PCB设计等）角度对开关电源系统进行EMC分析与设计，从而提升开关电源系统EMC的性能及可靠性。*后还介绍了开关电源EMI测试与优化方面具体的实践内容。本书以实用为目的，化繁为简，将复杂的理论简单化，可以作为在企业中从事电子产品开发的部门主管、EMC设计工程师、EMC整改工程师、EMC认证工程师、硬件开发工程师、PCB Layout工程师、结构设计工程师、测试工程师、品管工程师、系统工程师等研发人员进行EMC设计的参考资料。

本书着眼工程实践，以工程师的视角，提供开关电源产品电磁兼容（EMC）分析和设计的核心内容，随书附赠精美书签，提供配套PPT资料和视频课程。与电源网深度合作，合作推广，同步上线视频资源。

目前,几乎所有的电子产品都离不开开关电源。对于带有开关电源设计的产品，如果不考虑EMC问题，就很可能导致不能通过EMC测试，以至于无法通过相关的法规认证。电源开发设计人员都会经历让电源成功量产的磨练，其问题点要么是热设计，要么是安规问题，当然最麻烦的还是EMC问题，因为EMC问题是最难预测的。设计工程师通常发现在开关电源EMC问题上，将发射频谱在某一频率降下来，却又会在另一频率上超标。在设法符合了传导发射限制后，可能会发现辐射限制值又超标了。电磁干扰（EMI）是开关电源设计中公认的最具有挑战性的领域，这在一定程度上是因为许多寄生参数在产生影响，这些寄生参数最需要关注，所以再次调整将不可避免。如果对电源本身有深刻的理解，则电源的主体就不需要进行重新设计，只需要在EMC的领域进行分析和优化。有一本更接地气的关于开关电源类的EMC分析与设计参考书籍是目前行业电子工程师亟需的。EMC的分析与设计实际上是和测试相关联的,EMC的分析和设计需要建立在EMC测试的基础上。EMC的三要素是关键因素，如干扰源、耦合路径、敏感源/设备。敏感源/设备如果是敏感电路或器件就可能会有EMS问题；敏感源/设备如果是接收天线，当干扰源存在等效发射天线时就可能会有EMI辐射发射问题。传导干扰测试是通过线路阻抗稳定网络（LISN）进行的，在50Ω阻抗一定的情况下，传导干扰的大小程度取决于流过LISN中这个电阻的电流，那么最简单的处理EMI传导问题的方法就是要降低流经这个电阻的电流，在实践的过程中在电源端口传导干扰的问题在于流过电源端口的共模电流，分析其共模电流的路径和大小就变得非常重要。对于辐射干扰，当在屏蔽暗室进行天线接收测试时，可以减小流过产品中等效发射天线模型（单偶极子天线模型）的共模电流，从而有利于解决辐射发射的问题。对于开关电源的EMC问题的分析和设计，思路和方法很重要，比如，任何的信号源总是要返回其源头，即电流的路径总是从源端到负载再返回到源端。这时就可以分析出所有的等效路径，建立简化的等效模型。在EMC领域，任何的开关电源拓扑结构电路都会存在du/dt、di/dt。电路中也没有绝对的零阻抗，当电路中的导体一旦有电流流过，就会产生一定的电压降。利用欧姆定律，在电子电路板上就没有零电压和零电流值，其可能在μA、μV级别的范围内，即存在一开关电源电磁兼容分析与设计前言

个较小的极限值，因此du/dt、di/dt就会带来电磁兼容问题。任何噪声信号源的回路都可能有很多不同的路径，不希望某些电流在该路径上流动，就在该路径上采取措施包含其源，这是电磁兼容的设计与解决方法。本书共有9章，第3～6章介绍电磁兼容领域，基本将与开关电源相似的拓扑结构的EMI分析和设计都包含其中。开关电源设计本身是一个复杂的电磁学，如有较深的开关电源设计理论，再来研究其电磁兼容设计，这两者结合后往往会有很大的收获。电磁学也不再那样可怕和难懂，电源的控制环路稳定性也是如此。因此，也期望本书能对实际的生产有用。第1章为开关电源电磁兼容正向设计理论，把EMC变成一种可控的设计技术同步设计的过程。对于开关电源的电磁兼容分析和设计就需要理论原理和工程实践的结合，针对三要素中的一个或几个采取某些技术措施，限制或消除其影响，从而正向设计开关电源中的EMC问题。第2章为电磁干扰传输和耦合理论，任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径或传输通道，也是EMC三要素中的耦合路径，重点分析了电磁干扰的两种传输方式：一种是传导传输方式，另一种是辐射传输方式。第3~6章为开关电源电磁兼容分析与设计最重要的部分，通过分析开关电源各个拓扑结构的干扰源及传播路径，以及磁元件的特性及应用，给出了EMI的设计方法，再通过典型案例进行补充说明。第7章为开关电源PCB优化EMC，包含PCB的接地滤波设计、PCB的布局和布线设计。一个良好接地设计的PCB不但可以降低流过共模电流产生的压降，同时也是减小电路中环路面积的重要手段。一个好的PCB设计就可以解决大部分的电磁兼容和EMI问题，同时在接口电路PCB布局时适当增加瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分的抗扰度问题及电磁干扰问题。第8章为开关电源设计的浪涌抑制技术，主要解决防雷与防浪涌问题。任何形式的浪涌对电子设备的影响都可以归纳为从电源、信号和接地端口侵入。因此，电子设备的端口防护也从电源端口防、护、信号线端口防护和接地端口防护三个方面入手，其基本的防护策略可以采用分压法和分流法。分压法采用的元器件有正温度系数（PTC）电阻、功率电阻、电感元件等；分流法采用的元器件有压敏

电阻、瞬态抑制二极管（TVS）、气体放电管等。第9章为开关电源EMI测试与优化，通过分析给出了开关电源系统在产品中的传导发射和辐射发射的优化思路和方法，对出现的常见问题给出了测试与整改的步骤。开关电源电磁兼容分析和设计的目的是能让设计工程师进行产品的正向设计，让产品具有最低的EMC风险，即使通过测试与整改也能达到最高性价比的设计。由于作者的研究面有限，其EMC设计并不能包含开关电源中所有的EMC问题，同时也会因为作者知识结构的不全面性，导致出现一些描述不合理或不够准确甚至错误的地方，还请广大读者提供宝贵意见。另外，需要说明的是，有的分析是基于IEEE中一些分散、但很好的文章，同时也参考了其他的一些论文和文章，其中绝大部分内容简单易读，方便与大家达成共识。书中的元器件符号、波形、图形和数据等有些都是实测的，没有进行标准化处理，希望读者谅解，谢谢！

前言

第1章开关电源电磁兼容正向设计理论//1

1.1电磁兼容设计中的基本措施及滤波器电路//1

1.1.1电磁兼容设计中的电容器//3

1.1.2电磁兼容设计中的电感器//17

1.1.3电磁兼容设计中的铁氧体EMI抑制器件//21

1.1.4电磁兼容设计中的滤波器//26

1.1.5电源线滤波器的电路分析设计//30

1.2EMC相关理论 //40

1.2.1电路中的差模与共模信号//40

1.2.2时域与频域//42

1.2.3分贝的概念及换算关系//44

1.2.4电场与磁场//45

1.2.5电磁干扰三要素//48

1.3开关电源中的差模和共模噪声//50

1.3.1差模噪声的主要来源//53

1.3.2共模噪声的主要来源//53

1.3.3半导体器件与共模噪声源//57

1.3.4传导干扰与共模电流分析//58

1.3.5辐射发射与共模电流分析//59

1.3.6产生共模辐射的条件//62

1.3.7EMC测试的实质与共模电流//62

1.3.8典型的共模干扰在电路内部传输的机理//63

1.3.9共模干扰电流影响电路工作的机理//65

第2章电磁干扰传输和耦合理论//69

2.1电磁干扰的传输途径//69

2.2传导耦合原理//70

2.2.1电阻性耦合//70

2.2.2电容性耦合//75

2.2.3电感性耦合//78

2.2.4传导耦合的综合考虑//82

2.3辐射耦合原理//83

2.3.1辐射场强//83

2.3.2辐射耦合方式//87

2.3.3电磁辐射对电路产生的干扰//88

2.3.4减小辐射干扰的措施//91

第3章非隔离电源与反激电路的EMI分析与设计//92

3.1非隔离变换器的EMI分析与设计//92

3.1.1BUCK变换器//93

3.1.2BOOST变换器//109

3.1.3BUCK-BOOST变换器//110

3.2反激电路的干扰源及传播路径//118

3.3问题分析//127

3.4设计技巧//132

3.5案例分析//133

第4章开关电源PFC电路的EMI分析与设计//142

4.1PFC电路的干扰源及传播路径//144

4.2问题分析//153

4.3设计技巧//159

4.4案例分析//163

第5章开关电源LLC电路的EMI分析与设计//167

5.1LLC电路的干扰源及传播路径//169

5.2问题分析//181

5.3设计技巧//183

5.4案例分析//186

第6章开关电源中磁性元件的EMI分析与设计//189

6.1磁性元件的特性及应用//190

6.2问题分析//199

6.3设计技巧//208

6.4案例分析//215

第7章开关电源PCB优化EMC//219

7.1PCB的两种辐射机理//219

7.1.1减小差模辐射//222

7.1.2减小共模辐射//225

7.1.3实际PCB电路的辐射理论//226

7.2开关电源PCB的布局和布线设计//228

7.2.1PCB上布线的寄生参数及影响//229

7.2.2布局设计//229

7.2.3布线设计//230

7.3PCB的接地滤波设计//235

第8章开关电源设计的浪涌抑制技术//241

8.1雷电浪涌的产生与传递//241

8.1.1雷电的产生与特性//241

8.1.2雷电干扰的机理//243

8.2建筑物防雷与接地技术//245

8.2.1直击雷防护技术//245

8.2.2建筑物的接地//246

8.2.3用电设备的接地保护//247

8.2.4雷击过电压的防护//248

8.3浪涌抑制器件//249

8.3.1气体放电管//249

8.3.2压敏电阻//250

8.3.3TVS器件//253

8.3.4几种常用瞬态干扰抑制器件的比较//254

8.3.5防雷电路中的其他元器件//255

8.4电子设备的端口防护技术//258

8.4.1电源端口保护//258

8.4.2信号线端口保护//259

8.4.3接地端口保护//260

第9章开关电源EMI测试与优化//261

9.1开关电源传导发射的测试与优化//262

9.1.1测试与整改的步骤//263

9.1.2优先排除外部耦合//263

9.1.3输入滤波器的应用优化//265

9.1.4EMI输入滤波器的动态特性问题//267

9.2开关电源辐射发射的测试与优化//268

9.2.1电源线的电磁辐射//272

9.2.2预测电源线的辐射强度//272

9.2.3从RE标准计算对共模电流的限值//273

附录//275

附录AEMC常见的不符合项及整改对策//275

附录B开关电源的常用拓扑结构电路及开关器件应力计算参考//278

参考文献//281