開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制方法探討

劉先鋒，王連群，趙培均，張武宏

(1.解放軍69036部隊(duì)，新疆 庫(kù)爾勒841000;2.西安通信學(xué)院，陜西 西安710106)

0 引言

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、功耗小、穩(wěn)壓范圍寬、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備、通訊、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)。目前，抑制開(kāi)關(guān)電源的EMI，提高開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量使之符合EMC標(biāo)準(zhǔn)已成為設(shè)計(jì)者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。本文討論了開(kāi)關(guān)電源本身電磁干擾問(wèn)題并提出多種EMI抑制方法或措施。

1 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因及機(jī)理分析

開(kāi)關(guān)電源首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過(guò)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(shí)，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，都形成了潛在的電磁干擾。開(kāi)關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管、二極管、高頻變壓器上。

1.1 整流電路產(chǎn)生的電磁干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò)，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。

1.2 開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾

開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dU/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是:開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒(méi)有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈。儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導(dǎo)型電磁干擾。它既影響變壓器初級(jí)，還會(huì)使傳導(dǎo)干擾返回配電系統(tǒng)，造成電網(wǎng)諧波電磁干擾，從而影響其他設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.3 高頻變壓器

開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器用作隔離和變壓。但在高頻的情況下，它的隔離是很不完全的，變壓器層間的分布電容使開(kāi)關(guān)電源的高頻噪聲很容易在初次級(jí)之間傳遞。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式通過(guò)變壓器傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。此外，變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通路而使變電磁場(chǎng)更容易在其他引線上耦合形成干擾。

1.4 分布電容引起的干擾

開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。一方面，散熱片與開(kāi)關(guān)管的集電極間的絕緣片，由于其接觸面積較大，絕緣片較薄，因此兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，高頻電流會(huì)通過(guò)分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模干擾;另一方面，脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，可將原邊電壓直接耦合到副邊上，在副邊作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

1.5 印制電路板的設(shè)計(jì)

元器件的寄生參數(shù)，開(kāi)關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印制電路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)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(huì)造成EMI干擾。

2 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面入手:(1)減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào);(2)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;(3)增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。為此，抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾要采取的主要方法有:電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽、印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)等。

2.1 減少開(kāi)關(guān)電源本身的干擾

2.1.1 吸收電路

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生EMI的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率(dU/dt和di/dt)。采用吸收電路能夠抑制EMI，其基本原理就是在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)為其提供旁路，吸收積蓄在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾的發(fā)生。具體地講，可在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RC吸收電路(圖l)，或在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RC吸收回路(圖2)。RC/DRC回路可吸收開(kāi)關(guān)管接通和斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生的較高浪涌尖峰電壓，降低開(kāi)關(guān)回路的干擾。

2.1.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

軟開(kāi)關(guān)是在硬開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種基于諧振技術(shù)或利用控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的在零電壓/零電流狀態(tài)下開(kāi)通/關(guān)斷的先進(jìn)開(kāi)關(guān)技術(shù)。其基本思想是在原有的硬開(kāi)關(guān)電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的 dU/dt和di/dt，使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升，或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升，來(lái)消除電壓和電流的重疊。在理想情況下，這樣不僅減小了開(kāi)關(guān)損耗，還可以大大減小EMI電平。此外，軟開(kāi)關(guān)電路不同于一般的吸收電路，能夠在降低EMI影響的同時(shí)減少開(kāi)關(guān)損耗。

圖1 開(kāi)關(guān)管兩端加RC吸收電路

圖2 開(kāi)關(guān)管兩端加D-RC吸收電路

2.1.3 EMI濾波

濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在抑制開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾方面，具有明顯的效果。如圖3所示，在電源的輸入端接上EMI濾波器，可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專(zhuān)用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)等，它們都能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)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。

圖3 開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖

開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾可分為共模和差模干擾。共模干擾存在于相線與地線間及中線與地線間，其電流在相線與中線同時(shí)存在，大小相等、流向相同。差模干擾是存在于相線與中線間的干擾。其電流在相線與中線同時(shí)存在，大小相同、流向相反。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的，故EMI濾波器一般由共模和差模濾波電路綜合構(gòu)成。設(shè)計(jì)和選用EMI濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際情況，首先測(cè)量傳導(dǎo)到干擾的電平和頻帶，再與電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H應(yīng)用需要的信號(hào)電平進(jìn)行比較，選擇對(duì)超標(biāo)信號(hào)或超過(guò)實(shí)際應(yīng)用所需信號(hào)的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器。

圖4為開(kāi)關(guān)電源EMI濾波電路，其中L1、L2為共模扼流圈，由于它的兩個(gè)線圈匝數(shù)相等，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用;而對(duì)于共模干擾信號(hào)，能夠得到一個(gè)大的電感量呈現(xiàn)高阻抗，以獲得最大的濾波效果，因此對(duì)其有良好的抑制作用。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對(duì)均勻，兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對(duì)稱(chēng)等，使得電感量是不相等的，于是(L1－L2)形成差模電感，它和L3與L4形成的獨(dú)立差模抑制電感與CX電容器又組成L－N獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來(lái)抑制電源線上存在的差模干擾信號(hào)。

圖4 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器電路

2.1.4 PCB 設(shè)計(jì)

PCB抗干擾設(shè)計(jì)主要包括PCB布局、布線及接地，其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串?dāng)_。

設(shè)計(jì)PCB前應(yīng)首先考慮PCB的尺寸與形狀。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;若尺寸過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3:2或4:3。電路板面積尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。在確定PCB的尺寸形狀后，再確定特殊元器件(如各種發(fā)生器、晶振等)的位置。各種發(fā)生器、晶振等都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近一些。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。布局時(shí)應(yīng)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。同時(shí)，在高頻情況下，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減小和縮短各元器件之間的引線和連接。

2.2 切斷干擾信號(hào)的傳播途徑——共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖5所示。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖5中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

圖5 電源線EMI濾波器

共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無(wú)損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過(guò)共模電感，實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問(wèn)題會(huì)存在電感差值，不過(guò)這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1與CX2構(gòu)成了一個(gè)濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

2.3 增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力

2.3.1 屏蔽

抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的有效方法是屏蔽。即用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。用電磁屏蔽的方法解決EMI問(wèn)題的好處是不會(huì)影響電路的正常工作。屏蔽技術(shù)可分為對(duì)發(fā)出電磁波部位的屏蔽和對(duì)易受電磁波影響的元器件的屏蔽。

2.3.2 接地

在開(kāi)關(guān)電源中接地是抑制干擾的重要方法。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過(guò)該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。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(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上。地線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:交流電源地與直流電源地分開(kāi);模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開(kāi);功率地與弱電地分開(kāi);地線應(yīng)當(dāng)盡量粗。

3 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，其電磁干擾問(wèn)題及與其他電子設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題已日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，為了有效地抑制開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾，必須從多個(gè)方面采取多種手段抑制干擾，全面有效地提高開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性，使其得到更廣泛的應(yīng)用。

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