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1、手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项中国赛宝实验室安全与电磁兼容检测中心：朱文立TEL:020-87237655、87237656FAX:87236171HTTP:www.ceprei.bizE-Mail:zwlceprei.biz中国赛宝实验室中国赛宝实验室1.手机电池充电器工作原理、特点及其分类1.1手机电池充电器电磁兼容性能现状及原因现状：本次抽查20批次，不合格8批次，4批次属于电磁兼容性能不合格。原因：部分生产企业对产品的电磁兼容性问题认识不足或毫无了解。后果：电磁骚扰不合格的产品工作时会给周围环境带来电磁污染，影响其他电子设备的正常工作，还可能对供电电网的安全运行及人体健康
2、造成不良影响。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室本次抽查电磁兼容性不合格现象表现在：电源端子骚扰电压和辐射骚扰场强不符合GB9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法中B级限值要求。主要是电源端子骚扰电压过高，或是辐射骚扰场强过大。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室具体原因：n企业对产品电磁兼容性的重要性认识不够或对执行标准的错误认识，体现在产品存在技术缺陷；n没有采用电磁骚扰抑制措施或措施不当；n为了节省成本，竟价销售，省却了抑制元器件;n由于电磁兼容（EMC）测试需专用仪器和设施，且价格昂贵，一般企业不具备条件，但又
3、未到具备检测条件的检测机构对产品进行定型测试。以上原因致使产品不能保证满足EMC标准的要求。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室1.2手机电池充电器类型n大多数手机电池充电器的功能是将市网交流电源或其他供电电源（如汽车上使用的12V直流）转换为低压直流或脉冲直流输出给手机电池进行充电。n根据转换形式一般分为AC/DC转换型和DC/DC转换型；n根据工作方式可分为线性转换型和开关转换型。n对市网交流电源供电的充电器可采用线性转换型和开关转换型两种工作方式；n对直流电源供电充电器只能采用开关转换工作方式。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室1
4、.3手机电池充电器工作原理n线性转换型一般由工频变压器及相关的整流滤波电路组成，工作原理简单，电路设计成熟，性能比较稳定，电磁干扰也较低，早期的充电器较多采用此种形式。n随着电子技术的发展及开关电源电路的性能成熟和成本的降低，开关转换型充电器逐渐取代线性转换型充电器成为市场的主角。n工作原理:将高压交流直接整流滤波为高压直流（对DC/DC转换型则省略该过程），再将直流通过高频开关电路转换为高频交流，然后通过小型高频开关变压器进行电压变换，再经过整流滤波得到所需的直流。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室1.4两类充电器性能比较开关转换型充电器优点：n与线性转换型充电
5、器相比，开关转换型充电器不需要沉重的工频电源变压器，具有体积小、重量轻、效率高、待机功耗低，附加价值高等特点；n不但适用于AC/DC充电器，更是DC/DC充电器的唯一选择。n开关型充电器不但可实现线性型充电器的一般功能，而且比线性型充电器更容易实现高附加值的恒流/恒压充电特性（电池低压时恒流充电，电池接近充满时恢复恒压输出，防止电池过充），且大多数开关型充电器均具备此种特性，而具备此种特性的线性型充电器是不多见的。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室开关转换型充电器不足：n开关转换型充电器自身产生的各种电磁骚扰占有很宽的频带和较强的幅度，如果控制不当会通过传导和辐射
6、对周围设备产生电磁干扰，污染电磁环境，成为一个很强的电磁干扰源。n这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。n如何抑制其电磁骚扰，提高产品质量，使之符合有关电磁兼容标准的要求，已成为轻便的开关转换型充电器产品的设计者们面对的首要问题。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.手机电池充电器的电磁兼容性能要求n尽管手机电池充电器产品目前还没有列入3C强制认证产品目录，但国家强制标准是企业生产过程中必须无条件执行的技术规范。n没有列入3C强制认证产品目录只是不要求该产品必须通过3C强制认证才能销售；n市场上销售的产品必须
7、是符合国家强制标准要求的产品，必须接受并通过相应的市场监督抽查和国家强制标准要求。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室目前适用于手机电池充电器的电磁兼容国家强制标准有：nGB9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法；nGB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n由于手机电池充电器一般功率较低，此类产品绝大多数会满足GB17625.1-1998标准的要求，此次监督抽查也未进行该项目测试，所以在这儿就不作多的介绍了。n这里主要介绍手机电池充电
8、器按GB9254-1998测试时的测试项目及标准要求。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.1测试等级n依据标准GB9254-1998，信息技术设备分为A级信息技术设备和B级信息技术设备两类。nA级信息技术设备是指满足A级限值但不满足B级限值要求的那种信息技术设备。n对于这类设备不应限制其销售，但应在其有关的使用说明中包含如下内容的声明：声明声明此为A级产品，在生活环境中，该产品可能会造成无线电干扰。在这种情况下，可能需要用户对其干扰采取切实可行的措施。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室nB级信息技术设备是指满足B级骚扰限值要求的那种
9、信息技术设备，主要在生活环境中使用。n生活环境是指那种有可能在离相关设备10m远的范围内使用广播和电视接收机的环境。n手机电池充电器主要在生活环境中使用，当然属B级信息技术设备的辅助设备；n其无线电骚扰特性按GB9254-1998对B级信息技术设备的限值要求。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.2测试项目nGB9254-1998标准测试项目有四个：na）电源端子骚扰电压测量nb）电信端口的传导共模骚扰电压测量nc）电信端口的传导共模骚扰电流测量nd）辐射骚扰场强测量n其中电信端口的传导共模骚扰电压/电流测量对手机电池充电器不适用。n下面就电源端子骚扰电压测量和辐
10、射骚扰场强测量分别进行介绍。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.3电源端子骚扰电压n本项目适用于由交流电网供电的信息技术设备的电源端子。反映的是设备通过交流电源端子向供电电网反向注入的骚扰电流的强度。骚扰电压限值见表一。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.4辐射骚扰场强n本项目反映的是信息技术设备及其辅助设备向空间辐射的电磁骚扰的强度。辐射骚扰限值见表二。表二:ITE辐射骚扰场强限值手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n标准中的骚扰限值为10m测试距离的限值。n若在其他测量距离不为10m的替代场地测量，
11、可用下列公式计算出相应的限值：L2(dB)=L1(dB)+20log(d1/d2)。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室2.5手机电池充电器一般测试条件n如果被测样品由交流电网供电，按国内要求，测试时供电电源为单相交流220V/50Hz。n按其使用条件或使用说明的要求决定是否接地。n为了保证测试数据的稳定性和可重复性，测试时其输出外接纯阻性负载。n预测试时，在满载和空载之间调整负载阻抗，寻找最大的骚扰发射状态。n最终测试在最大骚扰发射状态下进行。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n一般来说，对线性型充电器和它激式开关型充电器最大骚扰一般
12、出现在其输出电流达到其额定输出电流状态下；n对自激式开关型充电器最大骚扰一般出现在其输出为半载或轻载的状态下。n测试时被测样品及其负载裸露放置或模拟实际使用放置。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n电源端子骚扰电压测试一般在屏蔽室或符合本标准要求的电磁环境的实验室内进行；n辐射骚扰场强测试一般在电波暗室或开阔场进行。n线性转换型手机电池充电器电磁干扰很低，一般都符合电磁兼容标准要求，所以在此就不再作详细介绍。n下面分析开关转换型手机电池充电器的骚扰源及其抑制措施。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.开关转换型手机电池充电器的工作原理
13、及电磁骚扰的来源n开关转换型手机电池充电器其核心就是一个小功率开关型转换电源（简称开关电源）。下面的讲解均以开关电源为例进行讲解。n与传统的线性电源相比开关电源具有无可比拟的优点，但开关电源为什么仍然无法完全取代线性电源呢？n一方面，开关电源的电路复杂程度比线性电源高，调试复杂，生产成本高，限制了在低价位电子产品上的应用；n另一方面，即使经过精心设计，与线性电源相比开关电源仍会产生较强的电磁骚扰，不仅会干扰所供电的设备，而且也会干扰周围的其它电子设备，限制了其应用。n首先，我们就从以下两个方面着手了解开关电源。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.1开关电源的工作
14、原理n开关电源种类很多：n驱动方式：自激式、他激式；n隔离方式：光耦隔离型、变压器隔离型、非隔离型；n变换方式：降压型、升压型，极性反转型、开关电容型、谐振型；n控制方式：脉宽控制方式、磁放大器控制方式等。n实际的开关电源种类很多，电路千差万别，但基本结构大同小异，其工作原理框图见图1，实际电路构成可能有部分取舍。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室图1开关电源原理框图手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.1开关电源的工作原理（续一）n开关电源的核心是一种DC/DC转换器。n交流输入电压首先经过一次整流滤波后变成直流，然后送到DC/DC
15、转换器进行转换，对直流输入，则无须一次整流滤波。n转换器把直流变成几千至几百千赫的高频矩形波，然后再由二次整流滤波变成所需的直流输出。n由取样、误差放大、基准电压、脉冲控制电路构成电压负反馈系统，通过调节逆变器输出矩形波的占空比或重复频率来稳定直流输出。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2电磁骚扰的产生n由开关电源的工作原理可知，开关电源是利用半导体器件的高速通断的来实现电压变换的，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。n由于通常在20kHz以上的开关频率下工作，所以电源线路内的dv/dt、di/dt很大，产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它各种电磁骚扰。n电
16、磁骚扰不但通过输入、输出电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2电磁骚扰的产生（续一）n下面我们对开关电源内部的主要骚扰来源及传播途径进行分析。n开关电源产生电磁骚扰的因素较多：n其中由整流电路产生的电流高次谐波干扰和电压转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素；n开关脉冲的形成和控制电路中的高频矩形脉冲含有丰富的高次谐波也会产生电磁骚扰。n它们均产生于电源装置的内部。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2电磁骚扰的产生（续二）n由脉冲形成和控制电路产生脉冲信号，经由开关电源中的二级
17、管和晶体管在非线性的工作过程产生跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈、寄生电容和导线以及不适当的系统结构和元件布局向交流电网、供电设备及空间传播形成传导和辐射骚扰。n下面就图2所示的基本开关电源电路对其产生电磁骚扰的机理进行分析。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室图2开关电源原理示意图手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.1整流滤波产生的电磁骚扰n基本整流滤波电路的整流过程是产生电磁骚扰最常见的原因。n因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流，而是变成单向脉动电源；n此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之
18、和。n实验结果表明，较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导骚扰和辐射骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.1整流滤波产生的电磁骚扰（续一）a）一次整流回路产生的电磁骚扰n一次整流回路一般是由整流桥BR1及滤波电容C1构成，其输入是工频的正弦交流电压。n当电路稳定工作后，整流桥BR1只有在输入的交流电压绝对值超过C1的端电压时导通，电流从电源输入侧流入，其余时间，BR1截止，无电流通过。n该电路在交流电压波形较高点上相对于供电电压波形的较小导电角对电容器充电引起交流电流以连续的窄电流脉冲形式流过输入回路（见下图）。n这种窄电流脉冲经频域展开，除
19、工频分量外还有丰富的高次谐波分量（见下图）。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室谐波电流形成示意图手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室谐波电流的频域展开示意图手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.1整流滤波产生的电磁骚扰（续二）n这是一种典型的对交流电网的选择性取电，电源工作的功率因素极低。n这种工作方式不但降低了供电网络的效率，其高磁谐波会反向注入交流供电网络，产生供电电压波形的畸变，劣化供电质量。n由于工频频率很低，其上百次谐波也不过数千赫兹，它多以传导骚扰形式出现，极难形成辐射骚扰。nGB17625
20、.1-1998标准限制的即为此类骚扰。n由于手机电池充电器功率较小，按该标准测试通过率很高，在此不展开讨论。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.1整流滤波产生的电磁骚扰（续三）b）二次整流回路产生的电磁骚扰n一方面，电源在工作时，整流二极D2处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈L2、整流二极管D2和滤波电容C2构成了高频开关电流环路。n如果电容器C2滤波不足或高频特性不良，C2上的高频阻抗会使高频电流以差模形式混在输出直流电压上成为差模骚扰，影响负载电路的正常工作。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.1整流滤波产生的电磁
21、骚扰（续四）n另一方面，二极管D2在正向导通时PN结内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。n由于二次整流回路中D2在开关转换时频率很高，即由导通转变为截止的时间很短。在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。n由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在，便因浪涌引起干扰成为高频衰减振荡。这种高频衰减振荡在直流输出端形成差模骚扰。n这两种形式的骚扰高次谐波成分丰富，频率高端可达数十上百兆赫兹，它们还可能通过内部电路的相互感应转化成输入、输出端的共模骚扰及通过空间向外传播辐射骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.2开关回路产
22、生的电磁骚扰n对开关电源来说，开关回路产生的电磁骚扰是其骚扰最直接和最主要的来源。n开关回路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。n它产生的尖峰电压为有较大辐度的窄脉冲，频带较宽且谐波丰富。n产生这种脉冲骚扰主要原因有以下几个方面：手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.2开关回路产生的电磁骚扰（续一）a）开关管T负载为高频变压器初级线圈L1，是感性的。n在开关管T导通瞬间，L1出现很大的电流，并在T的两端会出现较高的浪涌尖峰电压，n在开关管T断开瞬间，由于L1的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的能量将和集电极电路中的电
23、容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，n这种电源电压中断会产生与L1接通时一样的磁化冲击电流瞬变，n这些噪声会传导到输入输出端去形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管及该回路其它部件。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.2开关回路产生的电磁骚扰（续二）nb）脉冲变压器初级L1、开关管T和滤波电容C1构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容器C1滤波不足或高频特性不良，C1上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中去形成传导骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.
24、2.3开关控制回路产生的电磁骚扰n开关脉冲的形成和控制电路中的高频矩形脉冲含有丰富的高次谐波。n它一方面有可能通过不良的接地及高频感应向外传递形成电磁骚扰；n另一方面，该脉冲信号中的高频谐波会经过开关回路的放大和传递形成电磁骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室3.2.4分布电容成为电磁骚扰传递的通道n脉冲变压器的一次侧L1和二次侧L2间存在分布电容Cd，一次侧L1的高频电压通过这些分布电容将直接耦合到二次侧L2上去，在二次侧的二条输出直流电源线上产生同相位的传导共模骚扰。n如二线对地阻抗不平衡，该传导共模骚扰还会转变成差模骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及
25、设计注意事项/80中国赛宝实验室4.开关电源电磁骚扰的抑制措施n对开关电源产生的EMI所采取的抑制措施，主要从两个方面着手：n一是减小骚扰源的骚扰强度；n二是切断骚扰传播途径。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n为了达到目的主要从以下几个方面着手：n选择合适的开关电源工作方式及工作频率；n选择合适的电路元件；n采用正确的屏蔽、接地、滤波措施;n使用合理的元件布局等几种方法。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1减小骚扰源的骚扰强度n4.1.1选择合适的工作方式及工作频率n不同种类的开关电源的工作方式不同，它们产生的电磁骚扰强度及所产
26、生的电磁骚扰控制难度是不同的。n例如：自激式开关电源在负载轻重不同时不但脉冲宽度会改变，其开关频率变化很大，这样给克服开关脉冲骚扰和控制其传播带来很大难度；n他激式开关电源开关频率不变，靠改变脉冲宽度来保持输出稳定。n显然，他激式开关电源较容易控制电磁骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.1选择合适的工作方式及工作频率(续一)n隔离型开关电源比非隔离型开关电源骚扰小。n桥式整流产生的骚扰比其它整流方式产生的骚扰小。n光耦隔离比变压器隔离的骚扰更容易控制。n对于非隔离型开关电源：谐振型比极性反转型骚扰小多了。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/8
27、0中国赛宝实验室4.1.1选择合适的工作方式及工作频率(续二)n开关电源的工作频率也与骚扰强度密切相关：低的开关电源工作频率不但可以减少骚扰的高频分量，其传导骚扰和辐射骚扰的传播效率也会大大降低。n实际设计中，进行工作方式选择时，综合考虑电路的复杂程度、转换效率、生产成本和调试难度的同时也不应忽略其电磁兼容性能，这样做往往可以取到事半功倍的效果。n工作频率的选择，在不增加成本和影响工作效率的情况下当然是越小越好。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.2选择合适的电路元件n开关回路是开关电源产生电磁骚扰最直接和最主要来源。n在开关回路中，开关管是核心。n我们测试
28、中发现，对同一开关电源，其他部分不变，用同样耐压和电流容量的不同品牌的开关管替换进行辐射骚扰测试，骚扰最大与最小相差1520dB。n对传导骚扰的频率高端，也发现同样的现象（对传导骚扰频率低端这种现象不太明显）。n这与开关管在设计中有否考虑电磁兼容有关。n好的开关管在设计中考虑到了高频率抑制及开关瞬间的震荡并兼顾了转换效率。这种开关管成本可能会高些。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.2选择合适的电路元件（续一）n开关回路中另一关键部件是脉冲变压器。n脉冲变压器对电磁兼容的影响表现在两个方面：n一个是初级线圈与次级线圈的分布电容Cdn一个是脉冲变压器的漏磁手机
29、电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.2选择合适的电路元件（续二）n通过在初级与次级线圈间加静电屏蔽层并引出接地，接地点尽量靠近开关管的发射极接直流输入0V地（热地），可以大大减小分布电容Cd，从而减少了初、次级的电场耦合骚扰。n为减小脉冲变压器的漏磁，可选择封闭磁芯（如圆环），封闭磁芯比开口磁芯的漏磁小。n还可以通过在脉冲变压器外包高磁导率的屏蔽材料抑制漏磁。从而减小通过漏磁辐射骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.2选择合适的电路元件（续三）n开关回路（一次整流回路）中的C1选择也很关键：n选择高频特性良好的电容或在其上
30、并联一个高频电容，降低高频阻抗，n可以减少高频电流以差模方式传导到交流电源中去形成传导骚扰。n在二次整流回路中，整流二极管D2非常关键：n在低压大电流的整流回路中，快速恢复的肖特基二极管是一种较好的选择。n对高压输出电路可选用其他快速恢复二极管或带软恢复特性的二极管。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.3骚扰吸收回路n可在开关回路的开关管T两端并联RC吸收回路如图3(a)所示，或在开关管T两端并联DRC吸收回路如图3(b)所示。nRC/DRC回路可吸收开关管T接通和断开瞬间产生的较高的浪涌尖峰电压，降低开关回路的骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意
31、事项/80中国赛宝实验室4.1.3骚扰吸收回路（续一）n如图3(c)所示，可在输出端的整流二极管D2两端加RC吸收电路，抑制反向浪涌；n并在整流二极管D2和D1正极引线中串接带可饱和磁芯的线圈或微晶磁珠（Co系）SC1、SC2。n可饱和磁芯线圈/微晶磁珠在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作；n一旦电流要反向流过时，它将产生很大的反电势，阻止反向电流的上升，n因此将它与二极管D1、D2串联就能有效地抑制二极管D2的反向浪涌电流。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.3骚扰吸收回路（续二）n微晶磁珠可以直接套在二极管的引线上，使用方便，效果也
32、比RC吸收回路好。n另外，D1、L、C2组成的滤波网络可以更好滤除输出直流中的高频纹波，减少输出端的高频差模骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.1.4一次整流回路中PFC网络n对一次整流回路，最显著的骚扰是整流回路对交流电网的选择性取电引起的供电网络的波形畸变，功率因素偏低。n为解决这个问题，可在一次整流回路加入现成的PFC（功率因素控制）模块。n该模块分有源和无源两种，有源模块效果更好，但电路复杂，成本较高。n为了更适合所设计的产品，也有公司提供PFC解决方案，使其与你所设计的开关电源完美接合成为一体。n对一次整流回路加入PFC电路后一般可将功率因素从0
33、.4提升 到 0.9以 上 。 可 以 使 所 设 计 的 开 关 电 源 顺 利 通 过GB17625.1-1998的电流谐波测试。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2切断骚扰传播途径4.2.1滤波技术n滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源EMI信号的传导骚扰和某些辐射骚扰方面，具有明显的效果。n电源线上的骚扰电路以两种形式出现:n一种是在火线零线回路中，其骚扰被称为差模骚扰;n另一种是在火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模骚扰。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续一）n差模骚扰在两导线
34、之间传输，属于对称性骚扰；n共模骚扰在导线与地(机壳)之间传输，属于非对称性骚扰。n通常20kHz以下时，差模骚扰成分占主要部分；n1MHz以上时，共模骚扰成分占主要成分。n在一般情况下，差模骚扰频率低、所造成的干扰较小；n共模骚扰频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续二）n欲削弱传导骚扰，除抑制骚扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。n对开关电源产生的EMI信号，只要选择相应的去耦电路或EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。手机电池充电器电磁兼容性能要
35、求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续三）n减小差模传导骚扰的方法是：在电源线上串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器。n减小共模传导骚扰的方法是：在电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成LC滤波器进行滤波。n共模扼流圈是将电源线的零线和火线同方向绕在铁氧体磁芯上构成的；n它对线间流动的电源电流阻抗很小，而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗则很大。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续四）n对开关电源来说，输入电源端是电磁骚扰从交流电网传入内部和内部骚扰反向注入电网的主要途径。n为此必须在电源入
36、口处安装一个低通滤波器。n该滤波器只容许设备的供电频率(50Hz,60Hz,400Hz)通过，而对较高频率的骚扰有很大的损耗。n由于这个滤波器专门用于设备电源，所以称为电源滤波器。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续五）n电源滤波器对差模和共模骚扰都有抑制作用。n由于电路结构不同，对差模骚扰和共模骚扰抑制效果不一样。n滤波器的指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。n对交流供电的开关电源来说，没有输入电源滤波电路，要通过电磁兼容测试是很难想象的。n典型的交流电源滤波网络见图4所示。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室
37、图4典型的交流电源滤波网络手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续六）n共模扼流圈Lc1由两个绕在同一个高磁导率磁芯上的绕组构成，该结构使差模电流产生的磁场相互抵消。n这种结构可以以较小体积获得较大的电感值，通常110mH，并且不用担心由于工作电流导致饱和。n每个绕组的电感可以衰减相对与地的共模干扰电流，但只有漏电感才能衰减差模干扰电流。n因此，滤波器差模特性在很大程度上受线圈的结构的影响，因为线圈的结构决定了漏电感。n较大的漏电感能够提供较大的差模衰减，但付出的代价是磁芯的饱和电流降低。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实
38、验室4.2.1滤波技术（续七）n共模电容器Cy1和Cy2衰减共模干扰，当Cx3很大时，这两个电容器对差模没有太大的影响。nCy电容器的有效性很大程度上由设备的共模源阻抗决定。n共模源阻抗一般是耦合到地的寄生电容的函数，它由电路的结构方式和电源变压器初级-次级电容等决定，一般会超过1000pF。n由Cy的分流作用提供的共模衰减一般不会超过1520dB。n共模扼流圈是更为有效的器件。n当Cy受到严格限制时（安标对漏电流有要求），可能需要一个以上的共模扼流圈组合（如图4中的Lc2、Cx2）。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续八）n差模电容器Cx1和
39、Cx2（3）只衰减差模干扰电流，它们的电容值可以较大，通常为0.10.47F。n源和负载的阻抗可能很低，以致于电容器起不到作用。n因此根据具体情况，可以省略一只电容器。n例如，一只0.1F的电容器在150kHz的频率下，阻抗为10，而对于一个数百瓦的电源，从Cx3看到的差模源阻抗可能远低于这个值，在最需要这个电容的低频段，这个Cx3的电容值几乎没有效果，这时Cx3可取消。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续九）n在一些场合，典型结构的滤波器不能提供满意的衰减效果。此时，基本滤波器可以通过一些途径来扩展。n例如，必须满足最严格发射限制的大功率开关
40、电源，或有较大的共模干扰耦合的场合，或需要较高的输入瞬态抗扰度的场合。n附加差模扼流圈Ld1、Ld2，这是在L和N线上独立的线圈，它们互相没有影响，因此对差模信号呈现更高的阻抗，它们与Cx配合在一起提供更大的衰减。n由于它们要保证在满额工作电流的情况不发生饱和，因此对于一定的电感量，它们更重，体积更大。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续十）n大容量的Cx应用一只泄放电阻R来保护，防止电源断开时L和N线之间保持的充电电荷造成人身伤害（安标有要求）。n地线扼流圈L：增加了安全地上共模电流的阻抗。n当Cy不能更大，而对源的干扰又没有其它措施时，这是
41、唯一的一种减小输入、输出共模干扰的措施。n因为，它是串联在安全地上的，因此它的危险电流承受能力必须满足安标的要求。n使用时要确认没其它联到设备上的导线将其短路。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续十一）n瞬态抑制器：象压敏电阻这样一些器件跨接在L和N线之间能够削减输入的差模浪涌。n如果它安装在靠近电源的一端，则它必须能够承受预期的最大瞬态能量，n安装在这里能够保护电感不至饱和和保护Cx电容。n如果安装在设备一端，则其额定值可以大大降低，因为它已经受到了滤波器阻抗的保护。n压敏电阻安装在设备端对共模浪涌没有抑制作用。手机电池充电器电磁兼容性能要求
42、及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.1滤波技术（续十二）n在直流输出端加入图5所示的滤波网络。它由共模扼流圈Lc1、差模扼流圈Ld1和差模电容Cx1、Cx2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，差模扼流圈Ld1的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒磁芯。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.2减小分布电容的耦合n为了防止开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci将集电极上的脉冲骚扰耦合到到机壳和保护地PE上形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导共模骚扰。我们应该减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。n选用低介电常数的材料作绝缘垫
43、；n加厚垫片的厚度；n并采用静电屏蔽的方法：一般开关管的外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地（热地）上，散热片仍接在机壳地上。n这样就大大减少集电极与散热片之间的耦合电容Ci，也就减少了它们之间的电场耦合。（对开关转换型手机电池充电器，由于开关管一般没有散热片，该方法不适用）手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.2.2减小分布电容的耦合（续一）n对脉冲变压器的初级与次级之间的耦合电容Cd，也可以用通过加静电屏蔽层并就近在开关管的发射极接直流输入的0V地（热地）。n该方式只能减少Cd的耦合，
44、仍然会有部分骚扰从脉冲变压器的初级耦合到次级形成共模骚扰。n这时可通过在直流输入的0V地（热地）和直流输出的0V地（冷地）端串接一Y电容，给通过Cd耦合到输出端的共模骚扰一个回路，重新回到直流输入的0V地。从而减小通过Cd耦合的共模骚扰。n在选择该电容时为保证通过安全测试所需的耐压，一般由两个Y电容串联使用。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.3屏蔽n抑制开关电源辐射骚扰的有效方法是屏蔽：n用导电良好的材料对电场屏蔽，n用导磁率高的材料对磁场屏蔽。n为了防止脉冲变压器的磁场泄漏，可利用闭合环形成磁屏蔽。n对整个开关电源要进行电场屏蔽。n在屏蔽的应考虑适用性、散热
45、和通风问题：n屏蔽外壳上的通风孔最好为多孔圆形；n在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.3屏蔽（续一）n接缝处最好焊接，以保证电磁的连续性；n如果采用螺钉固定，注意螺丝间距要短。n屏蔽外壳引入、引出线处要采取滤波措施；n否则这些线都会成为良好的骚扰发射天线，严重降低屏蔽外壳屏蔽效果。n对无法进行完全屏蔽的开关电源，至少在其关键部位要有局部屏蔽。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.3屏蔽（续二）n电场屏蔽时，如果屏蔽外壳不接地就完全起不到屏蔽效果。n磁场屏蔽则无须接地。n对非
46、嵌入的外置式开关电源的外壳进行电场屏蔽非常重要，否则很难通过辐射骚扰测试。n对嵌入式的内置开关电源，是否采用外壳屏蔽则视其系统的屏蔽效能及系统中其他部分对电源骚扰的敏感程度而定。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4电路布线n元件及电路的选择对于控制EMI至关重要。n电路板的布局和互连也具有同等重要的影响。n尤其是对于高密度、采用多层电路板的开关电源，元件的布局和走线对于电路的正常工作具有重要的影响。n功率的切换可以在连接线上产生很大dV/dt和di/dt的信号，它可以耦合到其它连线上造成兼容性问题。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验
47、室4.4电路布线（续一）n不过，只要在关键回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性问题以及花费很大代价去对线路板进行修改。n对于一个系统来讲，辐射型和传导型电磁干扰相容易区分，但具体到某块电路板或某段导线，问题就变得复杂了。n相邻连线之间有电场的耦合，同时也通过分布电容传导电流，n同样，连线间也会象变压器一样通过磁场耦合。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.1串扰n两个更多导体靠得比较近时，它们之间会有容性耦合，一个导体中的大幅度电压变化会向其它导体耦合电流。n如果导体是低阻抗的，则耦合电流仅产生很小的电压。n耦合电容反比于导体间的距离而正比于导体的面积。n减
48、小相邻导体的面积并增加它们之间的距离将有利于降低传导型骚扰。n另一个减小耦合的办法是增加一个接地或屏蔽线。n导体之间的一条接地线可以将容性耦合过来的干扰信号旁路到地，从而起到防止导体间相互干扰的作用。但应当谨慎行之。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.1串扰（续一）n载有快速dV/dt信号的线条靠近某接地线放置，而该接地线与大地之间通过高阻互连，那么该快速信号就会耦合进入接地线。进而又会向敏感线路耦合，反而使骚扰问题更加恶化。n在进行布线时，应该保证接地层不向电路的敏感部分耦合骚扰。n常常在电路板上采用独立的层面，分别用于电源和信号的接地。n将不同层面在单点
49、连接，那么大功率接地层上的骚扰就不会注入到其它层面上去。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.1串扰（续二）n如果已知某节点对骚扰敏感，那么所有连接到该节点的走线都应该远离那些有大幅度电压变化的节点走线。n如果做不到，需要增加一个良好的接地或屏蔽。n良好的电容旁路可以降低节点对串扰的敏感度。n在选择旁路电容时，要确保其在可能引起问题的频率范围有足够低的阻抗。n旁路电容的放置也很讲究。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.1串扰（续三）n为了抑制高频噪声，最好使需要旁路的信号线直接通过旁路电容走线。n否则增大了高频阻抗，使电容器
50、作为高频旁路的效果大打折扣。n更好的布线方式是选择穿心电容，使线条直接通过电容器，这样会产生更好的滤波效果。n有些节点不能采用旁路措施，因为这样做会改变其频率特性。一个例子就是用于反馈的电阻分压器。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.2走线电感n开关电源中经常要快速切换电流。这些电流通路上的分布电感就会产生较大的骚扰电压，它们会耦合到其他敏感电路中形成干扰。n如果一个电路产生了不连续电流，就要设法防止其通过大的环路。n电流环越大其电感量越大，随之产生的磁场辐射也就越大。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室4.4.2走线电感（续一）
51、n这个原则同样适用于元件的布局：n因为电流经常是在有源器件之间进行切换的。例如晶体管和二极管。n印制板布线时注意尽量减小高频环路的面积，缩短高频信号线。n在布线时还应注意：na）不要把开关电源的输入线和输出线靠在一起，更不能捆扎在一起。nb）输出电源线最好用双绞线，至少应紧靠在一起走线。nc）开关电源输入输出线应尽可能远离电路中的信号线。手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室n开关电源的电磁兼容性设计考虑的因素还很多：n如印制板的制作、n元器件的布局n各种电源线、信号线的走线、配置等。n全面抑制开关电源的各种骚扰会大大提高开关电源的电磁兼容性，使其得到更广泛的应用。5.小结手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室参考文献：1.国家标准GB9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法中国标准出版社19992.白同云如何实现电磁兼容中国电子学会电子产品战略研究分会2000.4手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80中国赛宝实验室谢谢大家！由于水平有限及准备时间仓促，上文定有不少错漏和不足，敬请谅解！手机电池充电器电磁兼容性能要求及设计注意事项/80
