開關電源電磁干擾及其抑制技術的分析

胡錦毅

摘 要：開關電源的發(fā)展趨勢正呈現(xiàn)出小型化、高頻化的態(tài)勢，它的電磁兼容性在工作中顯現(xiàn)出關鍵性的地位，由于開關電源在工作過程中，存在嚴重的電磁干擾，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定程度的污染，而且不利于電氣設備的穩(wěn)定安全使用。因而，需要開展開關電源電磁抗干擾的研究，要采用適宜、科學、合理的抑制技術，有效地防范電磁干擾，保持電氣設備的安全穩(wěn)定、可靠運行，全面保障電網(wǎng)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、高效。

關鍵詞：開關電源；電磁干擾；抑制；技術

開關電源由于其實用性，廣泛運用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域，在大功率高電壓的電氣設備之中，開關電源會受到難以避免的電磁干擾，在開關頻率加大或功率密度提高的條件下，電磁的兼容性能需要加以密切的關注，也是需要切實解決的問題，本文從電子線路電磁干擾的特點入手，探討高頻開關電源電磁干擾的機理及抑制技術，對于開關電源的電磁兼容性進行測量，提供了干擾源的干擾量、傳輸特性及敏感度等依據(jù)，從而提高開關電源的使用效率和質(zhì)量。

1 高頻開關電源的概念及特點

電磁干擾即是電磁的兼容性不足，對電子設備之間的電磁輻射傳導加以破壞的進程。開關電源在小型化、高頻化發(fā)展的趨勢中，自身的噪聲源也會產(chǎn)生大量的傳導性電磁干擾，即EMI，從而對電子系統(tǒng)造成不良效果。由于大量的電器設備如：計算機、通信產(chǎn)品、電器等的涌入，空間人為電磁能量以成倍的速度遞增，電磁環(huán)境的惡化態(tài)勢正顯現(xiàn)出嚴重的問題。開關電源的電磁干擾是一種有害的電磁效應，它必須具備三個干擾要素，即：干擾源、敏感體、干擾耦合路徑。它具有以下特點：

①開關電源在頻繁的開關過程中，會產(chǎn)生較大的電流變化，從而不可避免地產(chǎn)生強大的干擾強度。

②開關電源干擾源的關鍵干擾裝置表現(xiàn)在功率的開關器件、散熱器、高頻變壓器之中，具有較為清晰的電路干擾位置。

③開關電源的干擾頻率不高，主要表現(xiàn)為傳導干擾和近距離電場干擾。

④由于線路板通常是人工布設，隨意性較大，對于線路板分布參數(shù)的提取和評估，增加了難度，同時，人工布設不當也是產(chǎn)生電磁干擾源的一個原因。

⑤開關電源的電磁干擾與網(wǎng)側阻抗不匹配，呈現(xiàn)變化的趨勢，難以把握。而且，濾波器中的電器元件要在使用中承受較大的無功功率，就無疑增加了電源體積，降低了效率。

2 開關電源的工作原理及電磁干擾機理分析

2.1 開關電源的構造及工作原理

開關電源的構造由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源構成，其中：主電路包括輸入濾波器、整流器、逆變等；控制電路則是通過對輸出端的數(shù)據(jù)的取樣，在比較之下控制逆變器，從而改變輸出頻率或脈寬，實現(xiàn)電路穩(wěn)定。檢測電路重點提供保護電路中的參數(shù)，還顯示各種儀表數(shù)據(jù)。輔助電源則負責提供單一電路的不同電源。

開關電源控制的工作原理，如下圖1所示：

在圖1中，K開關負責無定時的接通或斷開，在K開關接通時，E電源向開關K和濾波電路提供負載RL及能量；在K開關斷開時，E電源中止提供能量。由此可知，電源提供的負載和能量是無定時的、間斷的狀態(tài)，而為了使開關獲取穩(wěn)定連續(xù)的能量供給，需要配備儲能裝置，即在能量接通時負責實現(xiàn)對能量的儲存，在開關斷開時，負責釋放儲存的能量，這個裝置由圖中的電感L、電容C2、二極管D構成，這個電路具有上述功能?？梢詫D中AB之間的電壓平均值用EAB表示，用以下公式加以計算和控制：

E=TT·E

上式中：Ton表示每次接通開關的時間；T表示開關通斷的周期間隔。在這兩個要素變化的條件下，AB之間的電壓平均值也會改變，這種改變控制稱為“時間比率控制”。開關電源控制原理，主要表現(xiàn)為三種方式：脈沖寬度調(diào)制；脈沖頻率調(diào)制；混合調(diào)制。

2.2 電磁干擾的產(chǎn)生機理分析

開關電源的電磁干擾是存在電路之中的無用信號、噪聲等，它們對于電氣設備、通道產(chǎn)生的干擾，開關電源自身存在有大量的諧波干擾，同時還有潛在的電磁干擾，并集中顯現(xiàn)于電壓、電流變化較大的電氣元器件之中。電磁干擾產(chǎn)生的機理主要有以下幾點：

①開關電路產(chǎn)生的電磁干擾。由開關管和高頻變壓器構成的開關電路是開關電源的核心，具有較大幅度的脈沖，諧波豐富，開關電路產(chǎn)生的電磁干擾主要是由于開關管負載為高頻變壓器初級線圈，在開關管接通與斷開的瞬間，會出現(xiàn)較大的電壓尖峰，產(chǎn)生磁化沖擊電流的瞬變，這就造成了屬于傳導性質(zhì)的電磁干擾。

②整流電路造成的電磁干擾。整流電路的整流二極管在接通狀態(tài)時，有較大的正向電流，然而當其終斷時受反的電壓影響，而產(chǎn)生一個反向電流，還包含較多的高頻諧波分量，產(chǎn)生劇烈的電流變化。

③高頻變壓器產(chǎn)生的電磁干擾。在高頻開關電源構成中，變壓器初級線圈、開關管和濾波電容，會形成高頻開關電流環(huán)路，在這個環(huán)路之內(nèi)有極大的空間輻射，若電容濾波性能不好或容量不足，電容上的高頻阻抗就會將高頻電流傳導到交流電源中，造成傳導干擾。同時，值得一提的是，整流電路造成的干擾強度較大、頻帶較寬，是較為重要的電磁干擾源之一。

④分布電容生成的電磁干擾。由于開關電源正向高頻發(fā)展，因而分布電容也是電磁干擾源之一，由于散熱片和開關管的集電極之間的絕緣片接觸面積大而薄，高頻電流會由分布電容流過，產(chǎn)生共模干擾。

3 開關電源電磁干擾的抑制技術舉措分析

對于開關電源電磁干擾的抑制技術，主要可以從三個途徑著手：其一，減少電磁干擾源的干擾信號；其二，截斷電磁干擾信號路徑；其三，提高電磁干擾敏感體的抗干擾性能。下面，本文可以就抑制開關電源電磁干擾的技術進行分述：

3.1 軟開關抑制技術

軟開關抑制技術基于“硬”開關基礎之上，它是利用諧振技術或控制技術，連通或截斷零電流狀態(tài)下的先進技術。它在小型化、輕量化、電磁兼容性高的發(fā)展特點之下，有效地降低了開關損耗和噪聲，提高了開關電源的使用頻率。

軟開關與“硬”開關的區(qū)別在于：“硬”開關在開關過程中的電壓和電流都不為零，有重疊的狀況；而且電壓、電流的變化較大，脈沖較為明顯，產(chǎn)生較大的開關噪聲。而軟開關由于增添了電感、電容等諧振元件，減少了電壓、電流的重疊，有效降低了開關噪聲。

軟開關技術中包括多種技術，如：諧振變換器、準諧振變換器、零開關PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器。其中：諧振變換器是基于標準PWM變換器之上，附加諧振網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)零電壓或零電流的開關。準諧振變換器則是在PWM開關上附加諧振元件的控制技術。零開關PWM變換器是先利用諧振實現(xiàn)換相，再運用PWM方式工作。零轉(zhuǎn)換PWM變換器是并聯(lián)一個諧振網(wǎng)絡，由此而產(chǎn)生零開關條件，實現(xiàn)控制技術。但是，值得注意的是，軟開關技術要有輔助電路的添加實現(xiàn)，才能較好地實現(xiàn)對開關電源EMI的有效改善和優(yōu)化。

3.2 開關頻率調(diào)制技術

首先，要明晰頻率調(diào)制的概念，頻率調(diào)制是指瞬時頻率偏移跟隨調(diào)制信號m（t）成比例變化的調(diào)制，它可以用以下公式表示：

=Km（t）

其次，我們再分析開關頻率調(diào)制技術的應用思想：固定頻率調(diào)制脈沖在低頻段上產(chǎn)生電磁干擾，并集中于低頻段的各個諧波點之上，它通過調(diào)制開關頻率fc，將集中的能量加以分散，從而有效降低各個諧波點上的EMI值，它關注的是使分散的各頻點都在EMI的限值之內(nèi)，而并非降低電磁干擾的總量。鑒于這一應用思想，開關頻率調(diào)制技術在降低噪聲頻譜峰值的過程中，采用隨機頻率控制法和調(diào)制頻率控制法。

其中：隨機頻率控制法是在開關電源間隔之中加入隨機擾動分量，分散各頻點的噪聲能量，使離散的尖峰脈沖噪聲轉(zhuǎn)化為連續(xù)、分散的各頻點噪聲，從而降低峰值。調(diào)制頻率控制法則是在電路產(chǎn)生的鋸齒波中加入調(diào)制波形，生成離散頻段的邊頻帶，使噪聲能量分散到這些邊頻帶之上，這樣，就可以在不影響變換器工作的前提下，抑制開關的通斷時的電磁干擾。

3.3 共模電磁干擾的有源抑制技術

共模干擾也稱不對稱干擾、接地干擾，它是電流的載體與大地之間的電磁干擾，有源抑制技術的應用思想主要是在主回路中提取與導致干擾的開關電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓，在保證開關電源正常工作的前提下，消除較寬頻段內(nèi)的共模干擾。這一抑制技術是作用于電磁干擾源本身，是非常有效的共模電磁干擾抑制技術。

3.4 抑制電磁干擾的緩沖電路設計

對于緩沖電路設計的開關電源可以消除電力線內(nèi)潛在的電磁干擾，對于阻抗和消除電快速瞬變、電涌、電壓高低變化、電力線諧波等，可以起到較重要的作用。試例50kHz開關控制電源的構造圖為：（圖2）

其中：開關元件在有外來電壓變化時，產(chǎn)生較多的諧波成分而導致其波形失真，圖中的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡可以有效地抑制共模干擾，在其對稱結構和適宜的去耦處理與設計下加以解決。整流濾波電路由整流電路和大電容構成，它可以產(chǎn)生高頻的矩形脈沖，并可以促進穩(wěn)壓反饋作用，穩(wěn)定輸出的電壓。場效應管開關主電路是核心電路，設計之中添加了一個緩沖電路來抑制EMI，它主要采用靈敏接地的方法解決共模輻射的問題。

3.5 濾波抑制技術

這是一種常用而高效的高頻開關電源電磁干擾抑制技術，它的應用原理為：在高頻開關電源的輸入輸出端口，接上濾波器，阻抗開關電源在電網(wǎng)中的干擾信號，其干擾信號主要是傳導干擾，并表現(xiàn)為共模干擾和“差模”干擾兩種形式，其中：共模干擾是非對稱性的干擾，它是干擾信號對地的電位差以及電網(wǎng)串連的噪聲，具有幅度大、頻率高、干擾性能較大的特性；“差模”干擾是對稱性干擾，它是電磁場在信號間耦合感應以及不平衡電路轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電壓，它在添加抗干擾濾波器的條件下，可以有效地抑制干擾信號?！安钅！备蓴_具有幅度小、頻率低、干擾較小的特性。

3.6 PCB抑制技術

PCB抗干擾抑制技術的目的是為了減小PCB的電磁輻射，解決PCB電路之間的串擾現(xiàn)象。它包括布局、布線及接地設計，其布局設計與電氣設計類似，設計流程為：首先考慮PCB的尺寸和形狀，要保持最佳電路板的矩形形狀，即長寬比為3：2或4：3，使其可以承受一定的機械強度；然后，再確定特殊元器件的位置設計。由于發(fā)生器、“晶振”易產(chǎn)生干擾噪聲，因而在設計時的位置要相互靠近；最后，再根據(jù)電路的功能單元進行整體布局，要考慮元器件的分布參數(shù)，確保均勻、整齊而緊湊，盡量減少元器件之間的引線和連接，還要選取不易產(chǎn)生噪聲的、不易傳導的、不易輻射噪聲的元器件。

3.7 屏蔽抗干擾抑制技術

由于開關電源會在傳播空間產(chǎn)生電場和磁場，因而，可以考慮采用屏蔽的措施，將電磁干擾源和受干擾物之間隔離一層與地相連的屏蔽片，這種屏蔽技術可以采用兩種方式，其一是靜電屏蔽，用于阻抗“靜電”場和恒定磁場的干擾；其二是電磁屏蔽，用于阻抗交變電場、磁場的干擾，這樣，就可以使電磁波產(chǎn)生衰減，減少對電氣設備的干擾影響。

總而言之，高頻的開關電源會在信號傳輸過程中產(chǎn)生電磁干擾，不利于電氣設備的安全、穩(wěn)定運行，因而，需要采用適宜的開關電源電磁干擾抑制技術，使電磁干擾得到有效的衰減，保障電氣設備穩(wěn)定、高效。

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