淺談開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生及其抑制措施

蔡衛(wèi)兵

[摘要]電磁干擾對開關(guān)電源的效率、安全性及使用的影響日益成為人們關(guān)注的熱點。本文先分析了開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理，并就目前幾種有效的開關(guān)電源電磁干擾措施進(jìn)行了分析比較，且為開關(guān)電源電磁干擾的抑制的進(jìn)一步研究提出了參考建議。

[關(guān)鍵詞]開關(guān)電源 電磁干擾 抑制措施 改進(jìn)措施

開關(guān)電源EMI（Electro magnetic Interference），就是通過用電子線路組成開關(guān)式（方波）震蕩電路來達(dá)到對電能的轉(zhuǎn)換。這種方式有好多優(yōu)點，一是穩(wěn)壓范圍寬，在一定范圍內(nèi)輸出電壓與輸入電壓變化無關(guān)，電腦電源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式電源無法比擬的。二是效率高，由于采用開關(guān)震蕩工作方式，熱損耗特別少，發(fā)熱低。三是結(jié)構(gòu)簡單，相對于其它相同功率的電源，開關(guān)電源的體積與重量要少得多。因此，在眾多的電子設(shè)備中，開關(guān)式電源已經(jīng)是相當(dāng)普遍。隨著開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其電磁干擾已成為一個很嚴(yán)重的問題，開關(guān)電源的功率管工作在非線性條件下，采用脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)控制方式，加之開關(guān)頻率的不斷提高，使得電磁干擾越來越突出，對電網(wǎng)造成污染。因干擾的存在，輸入電源的電網(wǎng)受到了干擾，影響到其它設(shè)備，使其不能正常的工作，也影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。所以，尋找干擾抑制的方法是很必要的。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關(guān)電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。

一、開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

開關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經(jīng)過開關(guān)管的控制變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。因此，自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，都會產(chǎn)生不同程度的電磁干擾。開關(guān)電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開關(guān)管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時，雜散電容會將電網(wǎng)的噪聲傳導(dǎo)到電子系統(tǒng)的電源而對電子線路的工作產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明:

1.二極管的反向恢復(fù)時間引起的干擾;

2.開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾;

3.交流輸入回路產(chǎn)生的干擾;

4.其他原因。

元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

二、開關(guān)電源EMI的特點

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度。

三、目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因此，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們的確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

1.采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。

在電路系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)遵循“一點接地”的原則。如果形成多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該回路時將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。

2.濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

EMI濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。測試表明，只要適當(dāng)選擇元器件的參數(shù)，便可較好地抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。

四、目前開關(guān)電源EMI抑制措施的不足之處

現(xiàn)有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發(fā)。這的確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設(shè)備的抗擾能力。殊不知后者還有許多發(fā)展的空間。

五、改進(jìn)措施的建議

我認(rèn)為目前從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來抑制干擾，已漸進(jìn)成熟。我的視點要回到開關(guān)電源器件本身來，在電路方面要注意以下幾點:

1.印制板布局時,要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點;ＰＣＢ布線時，高頻數(shù)字信號線要用短線，主要信號線最好集中在ＰＣＢ板中心，同時電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次，根據(jù)印制線路經(jīng)電流的大小，應(yīng)盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。再次，可以根據(jù)耦合系數(shù)來布線，盡量減少干擾耦合。

2.印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

3.器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。

4.在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑，如用10μＦ鋁電解和0.1μＦ電容并聯(lián)接在電源腳上。對于高速數(shù)字ＩＣ的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。

六、結(jié)論

產(chǎn)生開關(guān)電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲會使開關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

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