淺談開關電源如何抑制電磁干擾

摘要：當前電子技術正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化的方向發展，導致了現代電子設備產生和接受電磁干擾的機率大大增加，所以EMI已成為許多電子設備與系統能否在應用現場正常可靠運行的主要障礙之一。

關鍵詞：開關電源；抑制；電磁干擾

中圖分類號：U291.4+5文獻標識碼：A

開關電源使用的實際環境中總是存在著由自然因素或人為因素產生的電磁能量，這些電磁能量對開關電源產生多余而有害的信號，即為干擾噪聲。這種干擾噪聲的產生來自兩個方面:一是來自外部干擾源的噪聲，另一是來自開關電源本身內部電路的噪聲。

1 開關電源電磁干擾的產生機理

開關電源產生的干擾，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，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現在按噪聲干擾源來分別說明：

1.1 二極管的反向恢復時間引起的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 開關管工作時產生的諧波干擾

功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產生尖峰干擾。

1.3 交流輸入回路產生的干擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。

開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

1.4 其他原因

元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，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。

2 開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚;開關頻率不高(從幾十千赫和數兆赫茲)，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;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分布參數的提取和近場干擾估計的難度。

3 抑制電磁干擾的措施

3.1 干擾抑制技術的基礎知識

抑制干擾要“對癥下藥”。即只有在深入的分析了干擾的來源、性質、傳遞方式、藕合方式以及干擾是以何種形式、在什么位置影響工作后，才能正確選擇合適的抑制技術。總的來說，采用“滅”、“阻”、“抗”等三種方法來抑制干擾。

3.1.1消除干擾源-“滅”干擾的方法

消除干擾源一種積極的措施.例如，大功率變壓器會產生強大的工頻干擾，若能把變壓器搬走，或暫時停電或在遠離干擾的地方進行實驗，這樣就能消除由變壓器引起的工頻干擾。原則上講，對于干擾源都應予消除。但是在實際測量時，有些干擾源是不能消除的。例如，自然界的干擾，大功率電臺發出的射頻干擾等，此時，只能采用其它抑制方法來消除這些干擾。

3.1.2破壞干擾的傳輸途徑-“阻止”干擾的方法

干擾的傳輸方式可分兩類:其一是以“場”的形式傳輸，例如，電容性耦合和互感性耦合;其二是以“路”的形式傳輸，例如，共阻抗耦合和漏電流耦合。對于以“路”形式傳輸的干擾，采取提高絕緣性能的方法以抑制漏電流耦合干擾;采用隔離變壓器、光電耦合抑制共模干擾產生的環路電流;采用濾波、選頻、屏蔽等技術消除干擾，采用合理的接地技術消除“共地”阻抗耦合，采用退耦電路消除電源內阻的影響等。對于以“場”形式傳輸的干擾，一般采用屏蔽和接地技術等。

3.1.3提高接收電路的抗干擾能力-“抗”的方法

一臺設計良好的電子裝置，應該具有對有用信號敏感且具有一定的抗干擾能力。一般情況是:高輸入阻抗電路比低輸入阻抗電路更容易受到干擾的影響;布局松散的電子裝置比結構緊湊的電子裝置更易受外來干擾;模擬電路比數字電路的抗干擾能力差等。在設計電路時，對輸入放大器采用對稱結構，采用雙絞線作為傳輸線，采用合理接地和退耦、濾波以及選頻等方法提高接收電路的抗干擾能力。

3.2屏蔽技術

屏蔽技術能夠抑制電場、磁場的干擾，正確地使用屏蔽技術既能抑制干擾源對其它電子系統的影響，也能阻止干擾源進入系統內部。因此，屏蔽技術能用來防止干擾，也能用來阻斷干擾。屏蔽技術的基本原理是把電力線和磁力線的影響限制在某個范圍.即隔斷“場”的耦合。

3.2.1靜電屏蔽

靜電屏蔽的方法:選用低電阻的金屬材料(如鋼和鋁)制成一個空腔的金屬盒（稱為屏蔽盒)，將電路置于屏蔽盒內，并將屏蔽盒良好接大地。

靜電屏蔽的原理:由靜電學理論可知，處于靜電平衡狀態而且接地的屏蔽盒內，如果其內部無凈電荷，外電場在屏蔽盒上產生的電荷通過接地線進入大地，屏蔽盒內任何一點處的電場為零，即盒內的電位處處相等，因此，置于屏蔽盒內的接收電路不會受外界電場的影響。同理，當屏蔽盒內有一個電量+Q的電荷，在屏蔽盒的內外側產生符號相異的電荷，但因屏蔽盒接地，則外表面的感應電荷被中和，這樣屏蔽盒外不存在電場.因此屏蔽盒內帶電體的電場不會對外界產生影響。

3.2.2電磁屏蔽

電磁屏蔽的方法:采用導電良好的材料制成屏蔽盒，將欲保護電路置于屏蔽盒內，這樣屏蔽盒內的電磁場不會對外界產生干擾，外界電磁干擾也不會干擾屏蔽盒內的電路。其原理是，由電渦流效應和集膚效應可知，屏蔽盒具有阻斷高頻電磁波透入的特性。屏蔽層的厚度只要超過干擾電磁波透射深度的3倍即可。實際上屏蔽層的厚度只要能滿足機械強度就行了。若把屏蔽盒接地，則兼有靜電屏蔽作用。

3.2.3低頻磁屏蔽

為了防止低頻磁場干擾，要用高磁導率材料制作屏蔽罩，使干擾磁場的磁力線在屏蔽罩內構成磁通路。由高磁導率材料內的磁阻比空氣的磁阻小得多，因此，屏蔽罩外的漏磁可以略去不計，從而抑制低頻磁場的干擾作用。

磁屏蔽罩應選擇高磁導率材料，如坡莫合金，鐵氧體罐等.并注意所用材料應有足夠的厚度.以減少磁阻和防止磁飽和。同時注意到所用材料的頻率特性，如坡莫合金在頗率超過500Hz時，其磁導率急劇下降，同時注意所用材料的環境溫度，當溫度升高，其磁導率下降;坡莫合金在經機械加工后，導磁率下降，因此加工后必須進行適當的熱處理。

3.3接地技術

選擇合理的接地點是抑制干擾的重要措施。電纜屏蔽層或屏蔽罩(如機殼等)都必須選擇合理的接地點，才能有較強的抗干擾能力，為了防止共阻抗耦合產生的干擾，在印制電路板布線時也要選擇合理的接地點:在實際測量中若同時使用多個儀器時，也要選擇合理的接地點等等。如果接地不當.就會導致干擾，甚至造成測量儀器無法工作。由此可見，接地是一很重要的問題。

結束語

近些年來，隨著電源技術的飛速發展，高頻開關電源控制從最初的模擬電路逐漸發展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件。這些器件體積小、精密度高，但開關電源內的電磁干擾、輻射相對其他通訊設備更強，這對高頻開關電源的抗干擾設計技術提出了更高的要求。

參考文獻

[1]葛長虹.工業測控系統的抗干擾技術[M].冶金工業出版社.2006.

[2]白同云.電磁兼容設計[M].北京郵電學院出版社，2001.