開關電源的電磁干擾抑制分析

李怡恒

摘 要

開關電源是一種高效節能的優質電源。然而在電子設備工作過程中，開關電源會產生比較嚴重的電磁干擾。本文根據高中物理所學知識，在與老師的溝通和指導下，研究開關電源電磁干擾的產生原因，并從屏蔽、濾波、接地以及電路等方面簡要分析了干擾抑制措施。

【關鍵詞】高中物理 開關電源 電磁干擾 抑制

開關電源的應用十分廣泛，其小型化和高頻化雖然為電子設備的發展帶來了很多便利，但所產生的電磁干擾也愈發嚴重，對功能發揮的影響越來越大。因此，必須采取有效的電磁干擾抑制措施，削弱甚至消除電磁干擾，保證電子設備能夠正常運行。

1 開關電源電磁干擾的產生原因

根據高中物理的知識學習，我們知道在電子設備的工作過程中通電電流的傳導會出現一些無用信號或電磁噪聲等，會對電路器件設備、傳輸通道以及系統的性能造成干擾，這種干擾就是電磁干擾。電磁干擾的出現有很多可能的原因，電磁干擾的的干擾源一般都是電壓電流變化比較大的元器件，包括開關管、二極管及變壓器等。

通過總結經驗，并學習資料，開關電源電磁干擾產生的主要因素包括下面一些內容：

1.1 開關管產生電磁干擾

開關電源中原邊主電路的開關管大多采用MOSFET功率管，這種開關管具有小電荷存儲效應，開關速度快，在開通、斷開時，電磁干擾易于產生。對于這種電磁干擾，通常的做法是通過吸收電路進行削弱，但加裝吸收電路會對電源效率造成一定影響。

1.2 高頻變壓器產生電磁干擾

在開關電源的功率變換電路中，開關管的負載是高頻電壓器的初級線圈，呈感性，在開關管開通的瞬間，初級線圈中會出現很大的電流，相應的線圈會產生很高的電壓；在開關管斷開的瞬間，初級線圈的部分能量停留在初級線圈中，無法導入次級線圈，這部分能量會在原邊電路中的電容和電阻上產生衰減震蕩。如果高頻變壓器兩端的濾波電容容量不夠大，或者高頻特性較差，電容上的高頻阻抗就會導致高頻電流以差模的方式傳導到交流電源中，從而產生傳導干擾。

1.3 整流電路產生電磁干擾

工頻交流電需要通過整流變成單向脈動電流，轉換的結果除了直流分量外，還存在著一些高頻諧波分量，這些高頻諧波分量會導致輸入功率因數變小，同時還會附帶較大的THD，這不僅會對電網產生很嚴重的干擾，還會通過電源線造成射頻干擾。

2 開關電源的電磁干擾抑制措施

2.1 屏蔽技術

屏蔽是我們日常生活中都能接觸到的物理原理，包括中央一套《加油！向未來》的節目中驗證了特斯拉線圈的實驗。電磁屏蔽的原理是通過加裝屏蔽體來削弱甚至完全阻擋電磁能量。在開關電源的電磁屏蔽中，分為兩個部分：

（1）對產生電磁干擾的元器件進行屏蔽；

（2）對容易受到電磁干擾的元器件進行屏蔽。

開關電源中，產生電磁干擾的元器件一般是變壓器、電感器以及各種功率器件，對于這些元器件的電磁屏蔽，可以使用銅板或者鐵板圍繞起來，從而削弱其產的電磁干擾。對于容易受到電磁干擾的元器件也可以采用相同的辦法進行屏蔽。另外，還可以通過整體屏蔽的方法，使用強導電性的材料把開關電源整體都圍繞起來，從而防止其中產生的電磁干擾向外擴散。在應用整體屏蔽時，需要注意以下兩點問題：

（1）屏蔽材料的接縫、電線以及輸出端子的接口都很容易發生電磁泄漏，在應用整體屏蔽時需要著重處理；

（2）整體屏蔽需要將開關電源整體圍繞在屏蔽體中，這就會導致散熱出現阻礙，相應的，設備成本也會增加。

2.2 濾波技術

通過《整流和濾波》部分的學習，我們可以知道濾波技術可以應用到開關電源傳導干擾的抑制中。通過學習其他資料了解到開關電源的傳導干擾包括共模干擾和差模干擾兩種，共模干擾出現在相線和地線以及中線和地線之間，共模干擾的電流會在相線和中線內部同時出現，大小和方向都相同。差模干擾出現在相線和中線之間，差模干擾的電流同樣會在相線和中線內容同時出現，大小相同，但是方向相反。濾波技術無論是對差模干擾還是共模干擾都有很好的抑制作用，由于共模干擾和差模干擾一般會同時出現在開關電源傳導干擾中，所以在加裝濾波器時一般會將共模濾波和差模濾波同時考慮在內。實踐發現，對于內阻較高的干擾源，濾波器輸入阻抗需要設計低值，對于內阻低的干擾源，濾波器輸入阻抗需要設計高值；負載電阻高時，濾波器輸出阻抗需要設計低值，負載電阻低時，濾波器輸出阻抗需要設計高值。

2.3 接地技術

接地技術是廣泛應用的一項物理技術，同時也是漏電保護中很常用且效果很好的一種技術。開關電源中的接地屬于屏蔽接地。在設計屏蔽接地時，需要注意以下幾個方面。

（1）開關電源的接地包括交流接地和直流接地，必須將兩者嚴格分離，一般采用浮地技術將開關電源的直流地和交流地分隔開，從而來屏蔽交流電源地線所產生的干擾。

（2）功率地和弱電地要分開。功率地應用于是負載電路或者功率驅動電路，電流和電壓都很大，因此很容易產生干擾，必須和其他弱電地分隔開。

（3）地線直徑盡量大。直徑小的地線會導致接地電位隨電流變化而變化，從而進而影響抗噪聲性能。

2.4 電路措施

開關電源干擾抑制中的電路措施包括吸收電路、軟開關技術以及器件選擇。

（1）開關電源中電磁干擾的產生主要是憂郁電壓和電流的短時間大幅度變化，因此，在抑制電磁干擾時，可以通過設計吸收電路，分散能量，降低電路中的電壓和電流變化幅度。

（2）在原有的硬開關電路中設置電感和電容，通過其諧振特性，能夠有效減少電壓和電流的重疊，從而降低電磁干擾。

（3）在開關電源設計中，盡量選擇不容易產生、傳導以及輻射電磁干擾的元器件。

開關電源的電磁干擾一直是影響電路性能的一大問題。通過資料的學習和分析，在開關電源的電磁干擾抑制中可以結合實際情況綜合使用多種電磁干擾抑制措施，這樣才能發揮最大的作用，有效保證電子設備的正常工作。

參考文獻

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作者單位

長沙市長郡中學 湖南省長沙市 410002