高頻開關電源的電磁干擾分析和電磁兼容措施

關光炳

（73683部隊，福建 福州350003）

隨著我國科學技術的發展，高頻開關電源已被廣泛應用于通信、自動控制和計算機等領域。但是高頻開關電源內部的電流和電壓變化率都很高，導致高頻開關電源在使用時會產生很強的電磁干擾，影響其它設備的正常工作。電磁干擾信號的頻率范圍較寬，且還存在一定的幅度，這就會對通信設備、計算機等造成干擾，此外，因電磁干擾本身就是一種輻射，當其進入空間時還會污染空間環境。本文對高頻開關電源的電磁干擾問題進行探討，提出相應解決措施。

1 高頻開關電源的電磁干擾

高頻開關電源的電磁干擾主要有兩種，一是由電源外部產生，一是由電源內部產生。

1.1 電源外部產生的電磁干擾

電源外部的電磁干擾有電網的電磁干擾、電磁脈沖干擾和靜電放電干擾三種。

（1）電網的電磁干擾

一個完整的電網系統，必然連接諸多的電子設備和電器設備，這些設備相互之間會進行電磁轉換。例如增加變頻驅動、晶閘管整流直流驅動設備和不間斷電源等非線性負載時，就會導致電壓產生很大的變化，產生浪涌沖擊和諧波之類的電磁干擾。這種電磁干擾有兩種，如果是零線和火線之間的電流噪聲，就說明是差模干擾，如果是火線和零線之一與地線之間產生的電流噪聲，則證明是共模干擾。

（2）電磁脈沖干擾

本文中的電磁脈沖干擾特指雷電導致的電磁脈沖干擾。雷雨天在未裝避雷針的房屋，人們通常會將電器的插頭統統拔掉，避免燒壞電器，就是因為雷電在放電時，會產生極強的電磁場。當電磁場作用在金屬導體上時，會產生極強的感應電壓，如果該電壓作用于開關電源設備上，會影響設備的使用性能，嚴重時甚至會完全損壞設備。

（3）靜電放電干擾

高頻開關電源受到靜電放電干擾時會產生以下三種影響：a.高頻開關的金屬氧化物半導體器件會被擊穿；b.靜電會導致雙極型晶體管出現局部升溫的現象，導致開關元件損壞；c.影響開關數字電路的正常運行，甚至損壞數字電路。

1.2 高頻開關電源內部產生的干擾

高頻開關電源內部包含許多器件，產生電磁干擾的器件主要有整流器、逆變器和變壓器三種。

（1）整流器中產生的電磁干擾

作為一種非線性器件，整流器中的電流是一種嚴重失真的正弦半波電流，這種電流中含有許多高次諧波，將引發諧波輻射和電磁場輻射等一系列的電磁干擾產生。

（2）逆變器中產生的電磁干擾

高頻開關的分布電感和分布電容以及二極管中都儲存著一定的電荷，這些電荷的存在，會導致逆變器產生浪涌噪聲等電磁干擾。當高頻開關電源的頻率超過1 MHz時，一般會采用諧振開關來提高高頻的節能效應。隨著高頻開關電源內部頻率的提高，內部諧波會有相應的增強，從而導致更強的電磁干擾。

（3）變壓器產生的電磁干擾

變壓器一般是由鐵氧體磁芯和銅線圈兩部分組成，不僅漏感大，而且噪聲也較大，因此，無可避免地導致了電磁干擾的產生。

2 高頻開關電源的電磁兼容措施

電磁干擾的形成條件是干擾源、傳播途徑和受擾設備，三者缺一不可。因此，應該以這三個條件為突破口抑制電磁干擾。不論是消除干擾源，還是切斷傳播途徑，或是改進設備的性能，提高其抗干擾能力，都能有效提供高頻開關電源的電磁兼容性能，抑制電磁干擾帶來的影響。

2.1 高頻開關電源的電磁脈沖干擾抑制

要想解決雷電帶來的電磁脈沖干擾問題，可以通過相應的措施，在雷電產生的脈沖能量傳遞至設備的瞬間將能量引入到地線中，從而有效保護設備。這種方法需要用到并聯壓敏電阻、穩壓二極管、氣體放電管，根據設備的實際需求，選擇其中的一種或多種，就能夠達到有效保護設備安全的目的。

2.2 變壓器產生的電磁干擾的抑制

變壓器產生的電磁干擾是由其制造材料導致的，因此可以選用更高級的變壓器來達到抑制干擾的目的。平面變壓器的磁芯與普通變壓器不同，雖然其磁芯材料也是鐵氧體磁芯，但是因其體積更小，而且形狀大都選擇E型、RM型和環形，在高頻的環境下，鐵氧體材料耗損很小；平面變壓器的繞組沒有采用銅線圈，而是將印刷電路板一層層疊繞而成，變壓器的磁回路是由繞組迭在磁芯上構成的。與普通變壓器相比，平面變壓器的電阻、漏感和分布電容都更低，而且其磁芯擁有很強的磁屏蔽能力，可以有效抑制變壓器產生的射頻干擾。

2.3 正確選擇和使用電磁干擾濾波器

通過正確選擇和使用濾波器，不僅能夠阻止其它設備產生的電磁干擾對高頻開關電源造成影響，而且能防止高頻開關電源中的電磁干擾對其它設備造成影響。按照干擾成因的不同，設備之間的干擾分為差模干擾、共模干擾兩種，因此，與之對應的濾波器也分為差模濾波器和共模濾波器，安裝時應該根據干擾的種類來選擇對應的濾波器。由于濾波器不僅要阻止高頻開關電源中的電磁干擾其他設備，還要防止電網中其他設備產生的電磁干擾影響高頻開關電源，因此，不僅要在高頻開關電源的出口處安裝干擾濾波器，其入口處同樣需要安裝。

2.4 采用諧振開關

ZVS型和ZCS型開關能夠減少分布電感和分布電容產生的寄生震蕩，不管是使用一種或是兩種同時使用，都能夠有效地抑制高頻開關電源中的電磁干擾，同時，開關損耗也相對更小［2］。

2.5 選用良好的元件

（1）高頻開關電源電子器件的選擇

在選擇高頻開關電源使用的電子元件時，應該以金屬氧化物半導體效應管、絕緣柵雙極型晶體管和快速二極管為主。在實際應用中，通常會將金屬氧化物半導體效應管和絕緣柵雙極型晶體管并聯使用，這樣不僅損耗較少，而且效率更高。作為一種電壓驅動電子器件，金屬氧化物半導體效應管非常適用于開關頻率較高的情況，因為金屬氧化物半導體效應管作為電壓驅動電子器件，不管是開關導通上升時，還是關斷下降，速度都很快，而且損耗較低。但是如果工作環境中的電流電壓較大時，會導致導通損耗增加。而作為復合器件的絕緣柵雙極型晶體管，其特點剛好相反，在導通時損耗很低，但是關斷時不僅耗時，而且損耗也更大。因此，通過并聯的方式，讓金屬氧化物半導體效應管和絕緣柵雙極型晶體管相互彌補，就能取得無論是導通還是關斷損耗都很小的效果。

（2）扼流圈與電容的選用

抗干擾濾波器分為許多種，但是高頻開關電源應選用電磁干擾濾波的專用器件，例如正態扼流圈、共態扼流圈和三端子電容等［3］。

由SN線圈制成的正態扼流圈損耗較低，SN線圈使用的材料是能夠有效抑制晶閘管噪聲干擾的鋼硅片。SN線圈不僅磁芯損耗低，而且擁有較大的自諧振Q值，因此，通過使用SN線圈制成的正態扼流圈，可以有效抑制一定頻率范圍（10～150 k Hz）內的電磁干擾。共態扼流圈主要用于抑制導線和地線之間的電磁干擾，其工作原理是通過在磁芯和電源上繞相同數量的線圈，能夠產生往復的負載電流，從而抵消磁芯內部產生的電磁干擾［4］。三端子電容是一種旁路電容，它主要用于300 MHz電磁干擾的處理，在其高位端不僅設有一根輸入線，而且還有一根輸出線，因此，三端子電容的高電位端中沒有多余的電感存在。

2.6 設計合理的PCB板

要想抑制高頻開關電源中的電磁干擾，除了合理設計電源電路之外，PCB板的設計也非常重要。在設計PCB板時，不僅要合理的設計電源開關交流回路和輸出負載電流回路等，為減少頻率響應，還應選擇適合長寬合適的印刷線。除此之外，接地點和接地線的選擇也非常重要。

2.7 合理屏蔽

通過采取合理的屏蔽措施，不僅能夠阻止高頻開關電源與其它設備之間的電磁干擾，還能有效地避免靜電放電現象。

3 結束語

電磁兼容的方式有濾波、屏蔽和接地三種，在實際問題中需先找出電磁干擾產生的原因，選擇相應的措施，然后再進行處理，才能有效抑制電磁干擾。

［1］ 趙 影，李宏毅，信建國.基于DSP控制的高功率因數電

力變換器的研究［C］.第16屆中國過程控制學術年會暨第4屆全國故障診斷與安全性學術會議論文集，2005.

［2］ 張永輝，宋 健.汽車電磁環境的研究與改進［C］.中國汽車工程學會汽車電子技術分會第七屆（2006）年會暨學術研討會論文集，2006.

［3］ 曾凡志，劉厚軍，陳世永，王 博.機車當量公里與修程關系的研究［C］.機車壽命管理及當量公里記錄裝置應用學術研討會論文集，2005.

［4］ Kuntimad G，Ranganath H S.Perfect image segmentation using pulse coupled neural networks［J］.IEEE Trans.on Neural N et-works，2012，10（3）：591-598.