開關電源對設備EM I的影響及抑制方法

歐陽昕，文同心，趙鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

環境適應性和可靠性

開關電源對設備EM I的影響及抑制方法

歐陽昕，文同心，趙鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

隨著開關電源在各領域的廣泛應用，由其導致的電磁發射問題也越來越引起關注。本文以開關電源的基本工作原理為基礎，按其內部的各部分電路組成分別分析了電磁干擾的產生機理，并簡要介紹了幾種抑制由開關電源引起的電磁干擾的措施。

開關電源；電磁發射；抑制

概述

隨著全球能源日益緊張，設備、產品的耗能問題也越來越受重視，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低（一般只有40%～50%）、體積大、銅鐵消耗量大、可調范圍小、發熱量大等缺點。為了提高效率，開關式穩壓電源應運而生，它的效率可達85%以上，并且穩壓范圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源，隨著它的紋波系數等參數的進一步改善，開關電源已廣泛應用于科研設備、工業自動化控制、電力設備、通訊、照明等諸多領域。

開關電源是利用電力電子器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過控制電路使電力電子器件不停地“開”和“關”，來對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。它通常在20kHz以上的開關頻率下工作，當電力電子器件斷開時，其兩端就會產生浪涌電壓V（du/ dt），當電力電子器件導通時其上將流過浪涌電流C（di/ dt），形成較強的電磁干擾源。隨著開關電源模塊化發展，開關頻率將提高到MHZ的數量級，電磁干擾更加嚴重。開關電源噪聲干擾為高頻振蕩噪聲和浪涌噪聲，其傳導模式表現為差模噪聲和共模噪聲，同時還向周圍空間輻射噪聲。

1 開關電源的工作原理

開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路和輔助電源四大部分組成。圖1是開關電源的基本工作原理框圖。

交流電首先通過輸入濾波電路過濾電網中存在的雜波，該濾波電路同時也防止開關電源產生的諧波回饋入電網，再經整流橋將過濾后的交流電整流為較平滑的直流電，之后再通過高頻變換電路將整流后的直流電轉換成所需電壓值的方波，這是開關電源的核心部分，最后再將這個方波電壓經輸出整流濾波電路變為所需要的直流電壓。同時控制電路會從輸出端取樣，與設定的基準電壓進行比較，去控制脈沖寬度調制器，改變其脈寬，即調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩定輸出電壓的目的，另一方面，控制電路也根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，對電源提供各種保護措施。

2 開關電源電磁干擾的產生機理

開關電源中電力電子器件的高頻開關動作是導致其產生電磁發射（EMI）的主要原因。開關頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面使得EMI問題更為嚴重。開關電源工作時，開關管的高頻導通與關斷，會產生尖峰脈沖電壓和浪涌電流，諧波頻率非常復雜，這些高頻的變化信號是主要的干擾源。下面結合原理圖分析幾個主要的干擾源。

2.1 輸入濾波整流電路產生的干擾

由（1）式可以看出，整流后的電壓并不是純凈的直流，而是包含了豐富的高次諧波分量，這些諧波分量將通過導線產生傳導發射，并且通過導線傳播時，會在空間產生電場和磁場而造成輻射發射。

圖1 開關電源的基本工作原理框圖

同時，由于整流橋中的二極管正向導通時，大量載流子積累在PN結內，而當二極管加反向電壓時，PN結內積累的載流子將急劇釋放而形成一個很大的電流變化（di/dt），這使得輸出電流成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流，會產生一定程度的電磁干擾。

2.2 高頻變換電路產生的干擾

高頻變換電路是開關電源的核心也是主要的干擾源之一，這部分主要由開關管和高頻變壓器組成。

開關管高頻的通、斷將導致電壓和電流的跳變。開關管在導通時，由于開通時間很短以及逆變回路中寄生電感的耦合作用，將產生很大的du/dt突變和很高的浪涌電壓，在開關管關斷時，由于關斷時間很短，將產生很大的di/dt突變和很高的尖峰電流，這些浪涌電壓和尖峰電流會產生很強的電磁干擾。

同時，在開關管導通瞬間，高頻變壓器初級線圈的兩端會出現浪涌電壓；在開關管關斷瞬間，由于初級線圈和次級線圈不能完全耦合而導致初級線圈中的部分漏磁通和開關管的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關管的關斷電壓上形成尖峰電壓，從而造成傳導干擾；另外線圈中流過的高頻脈沖電流會在周圍形成高頻電磁場，從而造成輻射干擾。

2.3 其他原因產生的干擾

由振蕩器發出的周期性高頻脈沖信號會產生高次諧波，對周圍電路產生電磁干擾。此外，由于開關電源內印制線路板的不合理走線而通過線線間的耦合電容和分布電感產生串擾，以及地環路干擾、公共阻抗耦合干擾等。

3 對開關電源產生的電磁干擾的抑制

目前，在實驗室進行電磁兼容測試時發現很多受試設備的傳導發射和輻射發射超標都是由于開關電源引起的，如何消除它的影響呢？眾所周知形成電磁發射的三要素是騷擾源、傳播途徑和敏感設備，因此，抑制電磁干擾應從這三要素著手：首先抑制騷擾源，消除干擾的源頭；其次消除騷擾源和敏感設備間的耦合和輻射，切斷電磁騷擾的傳播途徑；最后應提高電磁敏感設備的抗干擾能力。

3.1 抑制騷擾源

這里的騷擾源指的就是開關電源。迄今為止，國家尚未出臺專門針對開關電源的EMC測試的標準，但隨著國家對越來越多的電子產品強制實行3C認證，很多開關電源的生產商在測試規范中明確規定依據GB9254-2008來對開關電源進行電磁兼容性測試，包括傳導發射和輻射發射測試。

而我們的設計者在為設備中用到的開關電源選型時一般都關注的是輸入電壓、輸出電壓、額定功率、安裝尺寸及價格，很少關注其在電磁兼容方面的指標，直至EMC測試發現問題才重新評估。因此在選型時應對產品說明書中的電磁兼容指標進行重點關注，選擇滿足標準要求的合適產品。

除此之外，在電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，抑制開關過程中的du/dt、di/dt，使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升，關斷時電流的下降先于電壓的上升。減小du/dt主要通過在開關電源兩端并聯電容來實現，減小di/dt則是在開關電源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。

3.2 切斷耦合途徑

切斷耦合通道是目前抑制電磁干擾最常用的方法，基本的措施包括屏蔽、接地和濾波。

對于由開關電源引起的輻射發射超標一般都采用屏蔽的方法，用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率良好的材料對磁場進行屏蔽。必要時可以用一屏蔽罩將開關電源罩住，但對金屬屏蔽罩的開關電源進、出線處需做特別處理。

在電路系統設計中最好采用單點接地，因為多點接地會出現閉合的接地環路，磁力線穿過這些環路將產生電磁干擾。但單點接地實際很難做到，一般采用多點接地時可以利用一個導電平面作為參考地，需要接地的各部分，包括開關電源的地都就近接到該導電平面上。

對于電源線產生的傳導發射可以使用濾波器濾除，一個有效的濾波器應該對電源線上的差模和共模干擾都有較強的抑制作用。將濾波器裝在開關電源的進、出線上能有效改善電路的濾波特性，此外，穿心電容、三端電容器和鐵氧體磁環等專用的濾波元件也常被使用。

4 結語

本文以開關電源的基本工作原理為基礎，按其內部的各部分組成電路分別分析了開關電源電磁干擾的產生機理，并有針對性的介紹了由開關電源引起的電磁干擾的抑制措施。

由開關電源產生電磁干擾的因素還有很多，抑制電磁干擾還有大量的工作要做，只有全面抑制開關電源的各種噪聲才能使設備能更加安全可靠地運行。

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Impact on Equipment's EMIFrom the Inner Switching Power Supply and Suppression Methods

OU-YANG Xin, WEN Tong-Xin, ZHAO Ding-ding
（No.704 Research Institute of China Shipbuilding Indust ry Corporation, Shanghai 200031）

The EMI problems are attracting more and more attention along with the switching power supply widespread using. The generate mechanism of EMI from the switching power supply was deeply analyzed according to its composition based on its working theories. After that several improved methods were presented and proven to suppress that interference.

switching power supply; EMI; suppression

TN07

A

1004-7204（2014）03-0030-03

歐陽昕（1986-），女，江西省吉安市，助理工程師，碩士學位，研究方向為電磁兼容測試及整改。