Y电容和共模电感在开关电源EMC整改中的应用

梁嘉豪  陈妃味  欧春华  陈厚照

广东TCL智能暖通设备有限公司  广东中山  528400

摘要：电磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。本文以开关电源产生的EMC骚扰为基础，讨论Y电容和共模电感在EMC整改中的应用。

关键词：电磁兼容性、电磁骚扰、开关电源

Application of Y capacitance and common mode inductance in EMC rectification of switching power supply

Liang Jiahao, Chen Feiwei, Ou Chunhua, Chen Houzhao

Guangdong TCL Intelligent HVAC Equipment Co., Ltd., Zhongshan City, Guangdong Province, 528400

Abstract: Electromagnetic compatibility (EMC, i.e., Electromagnetic Compatibility) refers to the ability of a device or system to operate in accordance with the requirements in its electromagnetic environment and not to produce intolerable electromagnetic disturbance to any equipment in its environment. Therefore, EMC includes two requirements: on the one hand, the electromagnetic disturbance generated by the equipment to the environment during normal operation cannot exceed a certain limit; On the other hand, it means that the equipment has a certain degree of immunity to electromagnetic disturbances in the environment, that is  electromagnetic susceptibility (EMS). In this paper, based on the EMC disturbances generated by switching power supplies, the application of Y capacitors and common mode inductors in EMC rectification is discussed.

Keywords: Electromagnetic compatibility, Electromagnetic harassment, Switching power supply

引言：为了降低产品EMC设计风险和设计成本，在电路设计时就要考虑电子元器件选型对EMC带来的影响，对开关电源产生骚扰信号的原因进行分析，在设计阶段就可以完成最佳的电子元器件选型和电器走线布局。实践证明合适的Y电容和共模电感选型可以有效地抑制开关电源产生的骚扰以及传入开关电源的骚扰。

1、EMC传导骚扰和辐射骚扰的实质

在实际产品中有两种骚扰电流会经过回路，一种是共模干扰电流，另外一种是差模干扰电流其传导路径如下（如图1所示；Id为差模骚扰电流，Ic为共模骚扰电流）：

图1 差模干扰和共模干扰的传递示意图

电源端口传导骚扰测试设备LISN，从上图可以看出接收机接于LISN中的1kΩ电阻与地之间，当接收机与LISN进行互连后，接收机信号输入口本身的阻抗50Ω与 LISN 中的1kΩ电阻处于并联状态，其等效阻抗接近于50Ω，由此也可以看出，电源端口传导骚扰的实质就是测试50Ω阻抗(这个阻抗由LISN中的1kQ 的电阻与接收机的输入阻抗并联而成)两端的电压。当阻抗50Ω一定时，电源端口传导骚扰的实质也可以理解为流过这个50Ω阻抗的电流的大小。在实际产品中有两种电流会流过这个50Ω的阻抗，一种是差模骚扰电流Id。另外一种是共模骚扰电流Ic，控制产品中的骚扰电流不流过LISN和接收机并联组成的50Ω阻抗是解决电源端口传导骚扰问题的关键。通过大量的实践证明：大部分的电源端口传导骚扰问题是由共模骚扰电流Ic引起。

辐射骚扰实质上就是产品中两种等效天线所产生的辐射信号。第一种是等效天线信号环路，这种辐射产生的源头是环路中流动着的电流信号(这种电流信号通常为正常工作信号，是一种差模信号，如时钟信号及其谐波)，另一种等效天线模型是单极天线，或对称偶极子天线，这些被等效成单极天线或对称偶极子天线的导体通常是产品中的电缆或其他尺寸较长的导体。这种辐射产生的源头是电缆或其他尺寸较长的导体中(等效天线)流动着的共模电流信号。它通常不是电缆或长尺寸导体中的有用工作信号，而是一种寄生的“无用”信号。通过大量的实践证明：大部分产品中的辐射发射问题产生于产品中这种等效的单极天线或偶极子天线，为了减小等效的单极天线或偶极子天线中的共模骚扰带来的影响，可以将环路面积控制得越来越小，从而使得正常工作信号环路所产生的辐射越来越有限。

2、开关电源变压器中产生的两种干扰:

变压器(感性负载)在关断时，由于初级线圈的漏磁通使一部能量未传送到次级电路中，该能量会叠加到关断电压上，此时电源电压中断产生的尖峰和线圈导通时产生的电流突变一致，从而导致初级和次级都有传导搔扰，该种骚扰由差模电流引起。

滤波电容、开关管和初级线圈形成高频开关电流环路，传导空间辐射,电容高频特性差会导致高频电流以差模信号形成传导骚扰，一部分传导搔扰从初级践圈经过分布电感到次级线围再经过次级电路回到电源处，另一部分从初级线圈回到电源处。

干扰路径如图2所示：

图中红色箭头为变压器关断产生的骚扰信号，绿色为高频开关电流环路产生的骚扰信号。

图2 开关电源骚扰信号示意图

3.1、Y电容对变压器骚扰的抑制作用

开关电源的等效电路如图3所示，在开关电源电路中由电源输入的骚扰信号和开关电源电路产生的骚扰信号有一部分会经过初级绕组和寄生电容C2导向大地；另一部分会从初级线圈经过寄生电容C1（或漏磁通）导向次级电路负载，再经过寄生电容C3导向大地，此时的骚扰信号会对开关电源的初级线圈和次级电路造成干扰。

图3 开关电源电路原理图及其等效线路图

在初级线圈和次级线圈之间添加Y电容，Y电容的一端接到初级线圈的正极，另外一端接到次级线圈的地，此时经过初级线圈的干扰会优先经过Y电容到次级线圈负载电路的地，添加Y电容后的等效电路由图4所示，由电源输入的骚扰信号和开关电源电路产生的骚扰信号有一部分会从寄生电容C2经过流向大地，另外一部分骚扰信号会在经过初级绕组前被分布电容C4导向寄生电容C3，再流向地，此时由于骚扰信号在经过初级线圈前就导入大地中，高频开关电流环路中的骚扰电流减小，空间辐射减小；初级线圈漏磁通中的一部分能量会在关断断时经过分布电容C4传导到次级线圈负载电路的地，从而消除初级线圈给次级线圈带来的骚扰，电容容量越大，骚扰信号传导路径的阻抗越小，越容易进行传导。

图4 整改后的开关电源电路原理图及其等效线路图

3.2、共模电感对骚扰的抑制作用

共模电感是两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同，但线圈反向绕制的器件。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消。此时，正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)：当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到共模滤波的目的。理想共模电感对差模信号产生的效果为零。实际应用的共模电感由于漏感的存在，对差分信号会有一定的影响，但是远小于电容。共模骚扰的传导路径和共模电感的抑制作用如图5所示（红色虚线箭头为共模骚扰的传递方式）：

图5 共模电感骚扰抑制示意图

4、总结：

在开关电源电路中，传输距离较长或与电源线等易受侵袭的线有平行布线的电源线上，可以串上共模电感抑制共模骚扰信号，增强开关电源的共模抗干扰能力。在初级线圈输入端和次级电路负载地之间串联Y电容可以有效地抑制初级线圈上的差模骚扰信号，增强开关电源的差模抗干扰能力。

参 考 文 献

[1] 基于空调器结构构架的EMC分析 欧春华、陈妃味著

[2] EMC设计分析方法与风险评估技术 郑军奇著