开关电源EMC设计要领（一）

作者：nc965

前  言

电源工程师最迷糊的事情恐怕就是EMC了，其规律难以捉摸，常用神秘、高深形容之，论坛中反复出现这个话题，若干经典案例、若干长篇大论，还有若干专贴，看得累，看后迷糊也许更多，多半不得要领。 

曾发了个贴《开关电源PCB布板要领》，也是看很多人在布板这个问题上迷糊，讲了个 “三圈两地” 法的要领，论坛居然从此清静许多。这个贴也一样，希望能给个三招两式，让大家不再迷糊，让即使初学者也能迅速掌握其规律，让EMC从此不再神秘。

为讨论方便，我们这里假设开关电源工作正常，电路的主要参数：频率、波形、环路等没有问题，然后再罗列影响传导和辐射的诸多因素及其影响程度。EMC的其他问题暂不讨论。

初步整理了一个表大家看看，这些问题的提法和影响程度是否合适，特别希望有经验的工程师发表自己的看法，最好能够提供几招。

表一 

表不一定正确，但希望它正确，你觉得不合适的地方指出来，我来调整，大家讨论。 

这个表的意思是：哪些因素在影响EMC？影响程度一般大致是什么数量级？ 

比较反对先下结论，更反对只说人家不行，又不说怎么才行。

第一招：骗 

骗是一个贬义词，但是用在开关电源EMC设计上却是个好主意，我们要骗的对象是EMC测试设备，为此首先要知道测试设备的测试原理，知道它怎么测试的，我们才能够制定骗术，骗过它就是胜利。换句话说，这套设备就是用来让你骗的，你只要有本事能蒙混过关，你就是EMC高手，你的电源就是好电源。 

骗术举例：

骗术1

抖频技术。传导高频干扰总能量并没有采取任何去措施减少，只是把频率做了个小范围分散，让测试曲线的尖峰趋于平缓。这利用了传导测试只限制幅度不限制能量的特性----虽然真正的传导干扰是指的干扰能量----欺骗成功。 

骗术2

频率规划避开150KHz那道坎。只需要在测试标准要求的特定工况（比如输入电压）下设计规划的PWM频率及其倍频避开那道坎----而不管其他工况也许正好碰上那到坎----欺骗成功。 

当你为这两个骗术得逞而沾沾自喜的时候先别得意，一个“骗”字包含的学问远不止于此，“三十六计”中与骗术有关的计谋不在少数，其中最高境界是“将计就计”，意思是假装被骗然后再骗回去。或者更进一步，知道对方假装被骗然后再骗过来的计谋后再骗回去。 

啥意思呢？ 意思是：我们有可能被EMC检测设备骗了，可能吗？太可能了。 

EMC检测设备很可能不讲诚信，它很可能不是真正在测试我们的开关电源的EMC，可能吗？太可能了。 

因此，这一招：骗----包含两层意思，一是要找到它的破绽，好行骗；二是要找出哪些环节可能被骗了，再将计就计骗回去。 

要知道真像，首先要弄明白它的测试原理：

关键词一：系统 

这个系统是指EMC测试系统，它包括：规范标准、测试设备、测试环境（接地和空间）、测试对象（开关电源）、开关电源的负载等。 
系统中还包括：介入这个系统的其他系统，比如万用表等其他同时参与测试的设备，各个设备（包括负载）的外壳及其接地状态等等。 

图一

这些东西加在一起构成了一个完整的系统。虽然说EMC都是开关电源惹的祸，但是开关电源只是这个系统中的一个子系统，需要置于整个系统，才能真正暴露其EMC的踪迹和破绽。

因此，我们需要结合系统来解读EMC，而不是仅仅在开关电源上折腾。

关键词二：地 

都说中文的表达能力意外的丰富，但是在“地”这个单词上，中文就特别苍白，论坛里很多地方都在说“地”，究竟那里是地？每个电路中都有个地，但那只是你的标注，只是一个符号，只是一厢情愿而已。比如在反激电源中，你习惯把硅桥负端标注为地，那是地吗？还有我的帖子“三圈两地”，那是地吗？ 

究竟哪是地？我也不知道，但是EMC测试系统知道，它认为它的测试端口（即供电端口）就是地。它的测试端口一般有三个端子，两个供电（测试）端子和一个接地端子，这三个端子都是地。 

EMC测试设备用于供电（测试）的这三个端子都是地，这是它的假定，或者说是一种欺骗，而不管那个地方是不是真正意义上的地。

关键词三：阻抗 

EMC测试设备用于供电（测试）的这三个端子都是地，意思是他们之间的阻抗为零。 

骗术3

不用安规电容。既然设备的L、N为地，且之间的阻抗为0，那么，在开关电源的LN之间再接一个X电容就是完全多余的了，因此X电容可以省去，不影响（辐射）测试结果。更何况，处于相同位置的压敏电阻还有百pF数量级的电容，完全可以充当一个电容使用。 

图二

EMC测试设备用于供电（测试）的这三个端子都是地，另一个意思是：其他地方都不是地。你的开关电源电路图上的地根本就不是地。

EMC测试设备用于供电（测试）的这三个端子都是地，还有一个意思是：这个“地”是整个测试系统的参照基准，EMC干扰的0电平点。测试系统中其他任意地方的EMC干扰水平，不仅取决于这个地方的干扰电平的高低，还取决于这个地方相对这个“地”的阻抗大小。从电路的角度，或者从系统连接的角度，越是远离这个“地”的地方，阻抗越大，因而越容易被测出干扰。 

即：系统中， 

1

开关电源的输入端对“地”阻抗最低，为0，这就是地；

2

然后，开关电源内部可能有噪音热点； 

3

再然后，开关电源的输出端远离的输入端，因而对“地”阻抗较高；

4

最后，负载（包括连线）更远离输入端，对“地”阻抗更高，即使微弱干扰电平，也会表现为较高的EMC辐射测试幅度。 

可见，EMC设备测试的东西并不真正是我们开关电源的EMC，它至少增加了对负载的辐射的测试（被骗了吧？）。一个典型的例子是12VLED灯带电源，负载长度以米计，在空间大范围分布，怎么过得了？因此： 

骗术4

假负载。操作起来也很简单，改名字，不叫灯带电源，只叫12VDC电源，不接灯带测试，接个电阻或者有金属屏蔽并外壳接“地”的负载箱，也许就过了。这个“骗”既是骗设备，也是骗客户，需要客户愿意被骗才行。

要领一

传导主要依靠差模电感 

表一的数据显示，差模电感是影响传导测试的关键因素，这个不能省，而且要做好。 

关键因素的含义是：其他因素对传导的影响有限。尽管其他因素、比如差模滤波电容容量、电路级（差模的位置以及是否并个电阻）、骗术1（抖频）、骗术2（避开150KHz)对传导的影响不容忽视，但是只要差模电感个头不够大，一切皆是枉然。特别是元件级（品质）和板级（布线）对传导几乎没有可观的影响。 

不能省的意思是：这个电感个头要足够大，能不能过传导都靠它。不要吝惜在它这里花钱。实际上在某些场合，增加差模电感可以节省成本：比如在CCM模式，增加差模电感意味着可以减少昂贵的主电感，又比如稍微增加一点差模可实施骗术3----省掉一个昂贵的安规电容。 

要做好的意思有两层：一是差模的设计布局不能恶化其他性能，最有可能的是对辐射和浪涌的影响、还有对效率的影响。二是差模本身可以优化。 

当一个差模电感不够用时： 

典型电路利用了一个拓扑电容C1和压敏电阻的寄生电容，与差模电感形成π型滤波网络，且差模电感置于桥前有利于浪涌保护。 

我比较反对图四的接法，这种将差模对称连接虽然增加了差模滤波作用，但是会增加共模的负担，对辐射不利。而且也无助于改善浪涌。

图五的意思是差模可以是多级，在相同情况下两级或两级以上的差模滤波比单独或者对称接法需要的电感明显更小，即成本更低且效率更高（铜损更小）。 

多级差模或许对浪涌和脉冲群测试更为有利。仅从传导的角度看，两级差模电感量一致也许是最佳（成本和效率）配置，而电容的不同配置、或者电感的不同配置对浪涌有着至关重要的影响，楼上有兄弟说多级差模使浪涌得以放大，应该是参数配置不当的缘故。 

顺便提个醒：想要用差模电感充当浪涌梯级电抗的一定要注意绝缘，漆包线要用高强的或者三层的，没有骨架的（工字电感）要事先在磁芯上做绝缘。

对差模电感的另一个认识是：不要去纠结它工作于多高的频率，是否需要高频磁芯或者多股线，甚至是否饱和也无需追究，只要能过测试、不过分发热就OK。

EMC接地的一个经典例子： 

EMC元件数已经减少到极致，而传导辐射干干净净。

要领二

辐射不要依靠共模电感 

共模滤波的本意是想过辐射，但是过辐射不仅仅只有共模滤波这一个办法，更重要的是，共模滤波的大小完全取决于共模干扰的大小，论坛常有人问共模电感如何设计，由于无法事先知道共模干扰的水平，造成这个问题无法回答。 

表一列出了影响辐射的诸多因素，其中包括共模滤波在内的部分因素要吗牺牲效率，要吗增加成本，多半还要增加电路的复杂度从而影响可靠性。

 

并不是说不能采取包括共模滤波在内的可能增加成本或降低效率的EMC措施，而是说除此之外我们还有许多选项，在不增加成本不降低效率的情况下把干扰弄到最小。 

比如，频率是比较容易操控的，PCB板也是比较容易超控的，还有变压器，要优化。 

再比如，相同规格不同厂家的MOS管对EMC的影响： 

几个分贝就下来了。还有二极管甚至硅桥，不同厂家的效果都可能不同。 

而有些EMC措施是很难受的：比如RC吸收（有人甚至直接并C ），一般是对付尖峰电压的，虽然对付EMC也有效，但要增加成本（两个高压功率器件），多半还要降低效率，能不用尽量不用。此外，增加Rg电阻很不靠谱，磁珠、磁通也是很累的选项，能不用尽量不用。 

其实，最不想用的是共模滤波，那东西太大、太贵、还处于危险的雷击端口。即使要用，那也要用得明白，用得最省 。

怎么办呢？从系统设计的角度看，我们解决问题的办法不外乎： 

1

减少干扰源头（降低高频辐射能量） 

2

堵截（比如共模滤波） 

3

疏导（比如屏蔽） 

需要理清的思路是： 

首先，减少干扰源头的努力是必要的，但是获得的效果总是有限的，因为既然是开关电源，它就必然有干扰。可以采取的应对措施也是有限的，有的措施还有副作用。 

其次，采取共模滤波这样的堵截措施，本质上是增加干扰源与测试系统“地”之间的阻抗，但由于辐射是空间的感应，回路阻抗本身就很高，因此需要设置更高的共模阻抗才可能奏效，由于共模阻抗不可能做得无限大，因此获得的回报总是有限的，感觉很累。 

最后，疏导与堵截相反，本质上是减少干扰源与测试系统“地”之间的阻抗，最好为0，也就是短路，也叫“接地”。疏导还是堵截，从大禹治水以来就有定论，但是在EMC工程上却经常被忽视。事实上，疏导的效果几乎是无限的，极端情况可以把开关电源连同引线和负载一起做成一个完全屏蔽的接地系统，让测试设备只能测到它自己的背景干扰，让EMC从此消声灭迹。在这个理想系统里，干扰源大一点小一点，有没有RC吸收和磁珠，有没有共模滤波就不再重要。 

过辐射不要依靠共模滤波，这句话的含义是：共模滤波是最后的、不得已的手段，我们首先应该把前面我们能做的做好，如果你前面做得够好，也许根本就不需要共模滤波了，或者只需要一点点。能做好为什么不做好呢？ 

不用共模可能吗？尽量吧，至少要努力，至少要往这方面想。

要领三

EMC接地 

EMC接地是一个极为重要的专题，但很少被论及。工程上，某个元件或者引线挪一点位置或者方向，同样的电路在不同的板上表现为完全不同的EMC特性都与此有关，这类神秘事件常常把工程师们搞得晕头转向。 

EMC接地显著不同于其他接地，一定要弄明白以下要点才可能有效接地： 

1

哪是地？ 

前面讲了，在EMC测试系统里，测试设备的供电端子就是地，包括L/N线和PE线（三线制系统），而相当多的开关电源只有L/N线（两线制系统），因此开关电源的输入端子就是地，而不是其他任何地方。 

2

哪需要接地？ 

所有噪音源最好都接地，但是这是不可能的，因此要找到接地关键点。开关电源的输入端已经接地了，如果有外壳，那么外壳应该接地，还有呢？对于开关电源而言，最应该接地的地方是开关电源的输出端子，只要输出端子接地了，就相当于从电气的角度屏蔽（两头都接地）了开关电源内部的噪音，同时使负载处于最安静的环境。简单说就是：EMC接地的设计目标是尽可能让输出与输入（高频）短路。 

3

接地阻抗 

接地阻抗最好为0，但这是不可能的，特别是在高频环境，典型的1/4波长振子天线的长度在100~300MHz频率下已经落到开关电源PCB布线长度范围内（7.5~2.5cm）。因此，（进一步）缩短接地线长度是减少接地阻抗的重要措施，有时候，2、3mm的差距就会出现不同的EMC表现，即：最短路径连接。 

4

接地线的噪音 

显然，我们不可能将所有接地线长度都缩短到0，既然这些时候不能靠简单的连线来获得最小的接地阻抗，那么，如果这段连线上的高频电流足够小，也就等效于足够小的阻抗接地。因此，减少接地线的噪音就成了实现EMC接地的关键措施，即：最小噪音连接。 

考察一个典型的开关电源可能的“接地”状况： 

图六

每个回路的电流如图（这里说的电流是指可能引起高频干扰的高频电流），其特点是： 

1

紧挨着拓扑的两个回路----拓扑电流It和脉冲电流Ip最大。

2

分别位于输入输出端口的每个滤波回路的电流随着越靠近端口显著减小（滤波就是干这活的）。

3

因为系统默认输入端口为地且阻抗为0（辐射），因此可忽略Ii0的影响。 

4

负载Rz一般具有较高的阻抗，即使很小的电流Io0流过也会产生可观的干扰。 

图中没有画出“地”的符号，这是因为我们必须重新认识“地”，要画的话，从N到V-整个连接过程的每个地方我们都可以标注为“地”。然而，前面反复讲了，真正的“地”是N、L或者PE中的任意一个，这是EMC测试系统的基准地。

EMC接地的设计任务，就是要想办法让两个（而不是一个）输出端子V+和V-以最小的阻抗和噪音连接到EMC设备指定的“地”上去。也就是要把图六中所有的电流和阻抗关系理顺，然后找到一种最佳的连接方式。这就是EMC接地。 

EMC接地可显著降低EMC干扰，在大多数情况下我们可以省掉共模滤波，在不花一分钱的情况下我们可以事先把EMC干扰大幅度降到最低水平，可能比其他包括共模滤波在内的任何难受的或者不难受的EMC措施降幅更大更明显，能这样干为什么不这样干呢？

设计举例一：两线制非隔离系统 

典型电路如图六，其最大特点是输入端几乎可以直接连接到输出端（因此叫非隔离），这为我们EMC接地创造了绝佳条件。 

考察唯一不能直接连接的硅桥，其特性是：

1

N（或者L）已经（或者可以）直接连接到硅桥的一个ac端， 

1

D+和D-两点在高频情况下都对任意一个ac端呈现低阻抗，它始终不会超过一个结压降----硅桥对高频而言是透明的， 

1

D+和D-两点之间可能仍然有较高的阻抗，这是因为其端电压的高频成分总是存在的。

因此结论是：对于两线制AC/DC非隔离系统 

1

桥前（的一个ac端）至少保持一条连线与N/L直接相连接----措施1----这与共模或者对称差模相左。

2

满足上述条件后，系统接地点可以从L/N后移到硅桥的输出端D+/D-。

3

这时，D+/D-都是地，或者说都需要接地。

如此一来，EMC接地就归结为输出端子如何连接到D+/D- ，其中D-到V-在电气上是连在一起的，那么我们是否可以直接把输出端子V-从D-（而不是从g）引出，从而达到输出与输入短路从而显著改善EMC特性呢？答案是否定的，虽然这样显著的连接改变确实能显著改变EMC（辐射）特性，但是这种改变不一定是有利的改变，其中的原因是：虽然V-端子确实按我们的要求接地了，但是V+端子的EMC应力却大幅度增加了，图六中几乎所有的电流形成的干扰都通过C6传递到了V+端子。 

其实，正确的连接应该是： 

措施1

把输入的一个端子通过硅桥直接连接到输出的一个端子，中间不要接入任何元件（硅桥除外）。

措施2

输出电容C6的两个（不是一个）端子都是地，应与包括拓扑在内的输出环路（It、Io1）形成最短（最低阻抗）连接。所谓最短，即连接长度直接关系EMC水平。

措施3

硅桥后的第一个接地回路（Ii2）单独走线连接到输出接地点。重点是单独，意思是这条线上不要串进其他电流，而长度不是问题。

措施4

输入的其他回路（Ii3、Ip）分别单独走线连接到输出接地点。重点是分别和单独（长度同样不是问题）。不要连在一起后再去接地，否则Ip的强电流干扰会通过C3传递到D+。 

措施5

最后用个电容Cz将V+与D+短路（连接长度不是问题），这样可将V+和D+这两个对地高阻抗端子的阻抗大幅度降低。其中如果C3是个（有个）CBB电容，则可像Cz那样连接代替Cz。

最佳EMC接地电路如图七： 

以上各个措施的影响程度： 

给出这个大致（请别追究是否准确）表格的意思是：EMC接地的任何一个措施都可以大幅度减少EMC干扰，做得好的话其总的效果可能高达几十个分贝，如此优越的特性，还有什么可纠结的呢？还需要共模吗？还需要对某些可能只带来几个分贝优化的EMC措施斤斤计较吗？ 

事实上，无论从共模干扰的原理上讲，还是从上述实践来看，非隔离电源肯定可以不（应该）用共模滤波，谁用了，谁就是没事找事，谁就是无病呻吟，谁就是画蛇添足。 

实例：40W（80V0.5A）填谷式LED电源 
原电路用了一级共模滤波，一只安规电容，两只3.3mH0912工字对称连接的差模电感，过不了辐射，还在二极管上增加了RC吸收才勉强过。 

按EMC接地优化设计，取消了共模滤波和安规电容，两级差模只需2只2.4mH0810工字电感，由于桥后无CBB电容，因此用了只高压瓷片C7实施措施5，此外无需其他任何EMC元件，缩小了PCB面积，提高了效率1个百分点，辐射余量可以超过10db。 

图中标注为地（GND）的并不是EMC地，EMC地在续流二极管负端，所有回路接地在此一点汇流，其中填谷单元作为一个整体用一条线也汇流于此。桥后差模必须置于硅桥D-，才能使硅桥D+直接与输出V+相连。这些技巧都是EMC接地的精髓，请大家细细品味。 

关键词四：人既然是活的，就不要认死理 

这个贴发得很累，提纲结领说了半天，貌似大家还没闹明白。 

新手说：“有些地方很模糊啊！” 
高手说：“看得有点晕，实在有点太绕了！” 
专家问：“怎么L/ N也变成地了？” 

难道是我表达有问题？我基本上是大白话啊。可能真的有点绕，绕的目的只有一个：啥是接地？为什么要接地？事先就估计这个事被以前的教科书搞乱了，多费了点口舌，多绕了几下、反复强调，希望大家能明白，最后落脚点只有一个：EMC接地。要领其实只有这一个，招数也只有这一招（觉得模糊的、绕的请直接看这招），但这是极为重要的一招，关键的一招，所谓一招制敌。 

前面讲了，骗术的最高境界是将计就计（待会给个案例）。

三十六计的最高境界是走为上，什么是走？看看我怎么走的（156楼案例的敷铜走线）： 

只需要这样一走，EMC就走没了。如果用一句话来概括本帖的内容，那就是：走为上。         
战争的最高境界是没有战争，所谓不战而屈人之兵。
而共模滤波设计的最高境界是没有共模滤波----记得在哪个跟帖这么说过。

EMC设计的最高境界就是EMC接地，不仅对于辐射是如此，对于任何EMC问题都是如此，接地既是最高境界，也是最基础的东西。所有EMC问题最终都要落脚到接地上，很多人讨论EMC，动辄给出几十招，最后的效果都要仰仗接地来完成，只不过他可能没有意识到罢了。

我并不是反对其他的EMC招数，相反，我尊重这些工程师为整治邪恶EMC所做出的种种努力，有的人做了几十年，提出的对策总是有道理的，是我们的宝贵经验。但是，脱离接地去拆解这些招数，就是无本之源，只能知其然不知其所以然，只有结合接地来解读这些招数，才会明白事物的本质。这样说吧：这些招数是小菜，各具口味，而EMC接地是饕餮大餐，是盛宴。你今晚想吃点啥呢？         

死理1

大地才是地（这个地究竟在哪还没说清楚，还得绕）  

真是这样吗？飞机上呢？月球车上呢？飞机上电源太多，只有降落后才有EMC问题？

其实，地只是个相对概念，比如我们的LED电源，与外界唯一的联系就是L/N，即使与大地发生关系，也是通过L/N发生的关系，如果这个L/N在飞机上，就与大地没有半毛钱关系，但是他照样有EMC问题，因此对这个电源而言，L/N就是地，而且L和N都是地，而不是其他任何地方。这样讲明白些没？再不明白我也没辙了。

死理2

桥后滤波         

所有的教科书都是左边的接法，桥后直接并电容，有道理没？当然有他的道理。然而，EMC接地这样接就不对了，而是要求把接地端断开，分别走到遥远的地方，这就是EMC接地的措施3，不知道大家注意到没，这个措施尽管简单，却是所有措施里面是最有效的，为什么最有效？就是因为“走”才是上策，其他都是中策、下策。不怕你十招八招地弄得汗流浃背，多半不如这小小的一招来得爽快，只需要简单的走走线就OK，不费一枪一弹就搞定。

总之，人是活的，不要认死理，如果你非要认死理，你就品尝不到EMC接地 这道饕餮大餐的美味。

非常感谢版主nc965的分享

欢迎大家进来讨论学习！