開關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，新疆 庫爾勒841000;2.西安通信學院，陜西 西安710106)

0 引言

近年來，隨著微電子技術的迅速發展，開關電源以其效率高、體積小、功耗小、穩壓范圍寬、輸出穩定性好的優點，廣泛應用于計算機及外圍設備、通訊、自動控制等領域。但是，由于開關電源工作在高頻開關狀態，內部會產生很高的電流、電壓變化率，導致開關電源產生較強的電磁干擾(EMI)。目前，抑制開關電源的EMI，提高開關電源的質量使之符合EMC標準已成為設計者越來越關注的問題。本文討論了開關電源本身電磁干擾問題并提出多種EMI抑制方法或措施。

1 開關電源電磁干擾產生的原因及機理分析

開關電源首先將工頻交流整流為直流，再逆變為高頻，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓，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電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現在開關管、二極管、高頻變壓器上。

1.1 整流電路產生的電磁干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。

1.2 開關電路產生的電磁干擾

開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的dU/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是:開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈。儲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，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導型電磁干擾。它既影響變壓器初級，還會使傳導干擾返回配電系統，造成電網諧波電磁干擾，從而影響其他設備的安全和經濟運行。

1.3 高頻變壓器

開關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關電源的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。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使高頻電流以差模方式通過變壓器傳導到交流電源中形成傳導干擾。此外，變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路而使變電磁場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

開關電源工作在高頻狀態，因而其分布電容不可忽略。一方面，散熱片與開關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不能忽略，高頻電流會通過分布電容流到散熱片上，再流到機殼地，產生共模干擾;另一方面，脈沖變壓器的初次級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生共模干擾。

1.5 印制電路板的設計

元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，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。

2 開關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、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面入手:(1)減小干擾源產生的干擾信號;(2)消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;(3)增強受干擾體的抗干擾能力，減低其對噪聲的敏感度。為此，抑制開關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計等。

2.1 減少開關電源本身的干擾

2.1.1 吸收電路

開關電源產生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關關斷時為其提供旁路，吸收積蓄在寄生分布參數中的能量，從而抑制干擾的發生。具體地講，可在開關管兩端并聯RC吸收電路(圖l)，或在開關管兩端并聯RC吸收回路(圖2)。RC/DRC回路可吸收開關管接通和斷開瞬間產生的較高浪涌尖峰電壓，降低開關回路的干擾。

2.1.2 軟開關技術

軟開關是在硬開關基礎上發展起來的一種基于諧振技術或利用控制技術實現的在零電壓/零電流狀態下開通/關斷的先進開關技術。其基本思想是在原有的硬開關電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，降低開關過程中的 dU/dt和di/dt，使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升，或關斷時電流的下降先于電壓的上升，來消除電壓和電流的重疊。在理想情況下，這樣不僅減小了開關損耗，還可以大大減小EMI電平。此外，軟開關電路不同于一般的吸收電路，能夠在降低EMI影響的同時減少開關損耗。

圖1 開關管兩端加RC吸收電路

圖2 開關管兩端加D-RC吸收電路

2.1.3 EMI濾波

濾波技術是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在抑制開關電源的傳導干擾方面，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，可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾，也可以抑制來自電網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、鐵氧體磁環等，它們都能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。

圖3 開關電源的基本結構框圖

開關電源的傳導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存在的，故EMI濾波器一般由共模和差模濾波電路綜合構成。設計和選用EMI濾波器一定要根據電路的實際情況，首先測量傳導到干擾的電平和頻帶，再與電磁兼容的標準或實際應用需要的信號電平進行比較，選擇對超標信號或超過實際應用所需信號的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器。

圖4為開關電源EMI濾波電路，其中L1、L2為共模扼流圈，由于它的兩個線圈匝數相等，這兩個電感對于差模電流和主電流所產生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用;而對于共模干擾信號，能夠得到一個大的電感量呈現高阻抗，以獲得最大的濾波效果，因此對其有良好的抑制作用。但是，由于種種原因，如磁環的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，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形成的獨立差模抑制電感與CX電容器又組成L－N獨立端口間的一個低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號。

圖4 開關電源EMI濾波器電路

2.1.4 PCB 設計

PCB抗干擾設計主要包括PCB布局、布線及接地，其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。

設計PCB前應首先考慮PCB的尺寸與形狀。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;若尺寸過小，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，長寬比為3:2或4:3。電路板面積尺寸大于200 mm×150 mm時，應考慮電路板所受的機械強度。在確定PCB的尺寸形狀后，再確定特殊元器件(如各種發生器、晶振等)的位置。各種發生器、晶振等都易產生噪聲，要相互靠近一些。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。布局時應以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。同時，在高頻情況下，要考慮元器件之間的分布參數。元器件應均勻、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 切斷干擾信號的傳播途徑——共模、差模電源線濾波器設計

電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源EMI濾波器基本電路如圖5所示。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。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差模和共模干擾有較強的衰減作用。

圖5 電源線EMI濾波器

共模電感L1是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過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置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1與CX2構成了一個濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

2.3 增強敏感電路的抗干擾能力

2.3.1 屏蔽

抑制開關電源電磁干擾的有效方法是屏蔽。即用導電良好的材料對電場進行屏蔽，用導磁率高的材料對磁場進行屏蔽。用電磁屏蔽的方法解決EMI問題的好處是不會影響電路的正常工作。屏蔽技術可分為對發出電磁波部位的屏蔽和對易受電磁波影響的元器件的屏蔽。

2.3.2 接地

在開關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。在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該環路時將產生磁感應噪聲。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將低頻電路、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。地線設計時應注意:交流電源地與直流電源地分開;模擬電路與數字電路的電源地分開;功率地與弱電地分開;地線應當盡量粗。

3 結束語

開關電源技術是一項綜合性技術，其電磁干擾問題及與其他電子設備的電磁兼容問題已日益成為人們關注的熱點，為了有效地抑制開關電源所產生的電磁干擾，必須從多個方面采取多種手段抑制干擾，全面有效地提高開關電源的電磁兼容性，使其得到更廣泛的應用。

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