抑制電動自行車充電器對短波電磁干擾的方法

王 孟，王 豪

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，烏魯木齊 830054）

1 引言

充電器在工作時存在對無線電的干擾，它作為一種有源干擾源對生活中的各類電器造成干擾。《工業、科學和醫療（ISM）射頻設備電磁騷擾特性限制和測量方法》中對相關設備進行分類，充電器被列為B類1組設備。B類1組設備主要造成的電磁干擾是由于充電器內的開關電源，變壓器等電子器件的工藝、性能和外部屏蔽等原因造成。本文主要針對電動自行車充電器工作時對短波頻段的干擾進行分析研究，并提出抑制電磁輻射的改進方法。

2 電動車充電器電磁干擾產生的原理

在有源干擾中，最主要的干擾是無線電噪聲干擾。充電器造成輻射的主要原因是由于充電器本身就是一個開關電源，其前端整流部分會產生高次諧波，后端的變壓器會產生尖峰電壓。特別是高次諧波會沿著輸電線路向同網絡段的電壓線路產生傳導干擾和輻射干擾，一方面會使接在前段的電源線上的電壓波形產生畸變，將經過連接的電源線向同網絡的其他電器設備造成噪聲干擾，如同一低壓電網內的電視機、臺燈、電腦等。另一方面會通過電源線產生射頻干擾，干擾信號占有較寬的頻帶，又有一定的幅度，所以會對附近的無線電環境造成輻射干擾，如對附近區域無線電接收和發射設備造成影響。干擾原理圖如圖1所示。

圖1 充電器產生干擾的原理圖

3 充電器內部電路產生的電磁干擾介紹

3.1 充電器內部電路工作原理

充電器采用的電路常用U3842自激震蕩型開關電源和運算放大器組成的顯示電路，如圖2所示。

圖2 充電器內部電路原理圖

交流電經過10kV的變壓器變壓后變為220V交流電壓，經過整流變為300V的直流電，經過變壓器T為開關管Q1的D級供電；另一路經啟動電阻R28降壓后為IC1（AZ3824）的7腳供電；1腳和2腳內外電路產生自激振蕩，由6腳輸出，經R31驅動Q1的G級，Q1導通，這時變壓器T的另一邊繞組上產生感應電壓，經D11整流，C13濾波后為AZ3824的7腳供電，以代替啟動電阻R28，Q1的S級上串聯的電阻R33為電流取樣用。如電流過大，此信號傳送到AZ3824 的過流檢測3腳，使內部電路關閉6腳的脈沖輸出，保護開關管。在Q1截至時，T的次級產生感應電壓，經D10/C12整流濾波后為蓄電池充電。次級另一組感應電壓經D5和C15整流濾波后得到20V左右的電壓，為運算放大器LM324的4腳供電，同時經R11限流后為電源指示LED供電。

D10整流后獲得的42V電壓經R19，R18，R17，R16分壓，加到誤差比較器Q2（AZ431和TL431）的輸入端，控制光電耦合器IC3（PC817）中發光二極管的發光強度，再經內部光電轉換后，控制AZ3824的2腳的電壓，經負反饋環路保證充電輸出電壓的穩定。

3.2 充電器內部整流電路電磁干擾的分析

在日常生活中，人們總是將輸入的交流電作為理想的正弦波，在電機/變壓器/電器設備設計時都將供電電源假定為正弦波，但實際上供電系統中不可能是標準的正弦波，它是由不同頻率的正弦波疊加成的，所以整流出來的也不是標準的直流電，經過濾波后還是有一定的波紋，會造成電磁的輻射。

3.3 開關電源產生的電磁干擾的分析

3.3.1 驅動晶閘管的電壓產生干擾

芯片AZ3842根據負載的大小，控制輸出端⑥的信號，輸出信號相似于矩形波，矩形波的周期是一定的，周期是根據端口④的Rt和Ct確定，一般情況下晶振頻率為50kHz，端口輸出頻率典型值為500kHz 的矩形波，輸出的矩形波的占空比可以從0到95%（根據設備所帶負載的大小匹配，）負載越大，占空比越大，負載越小占空比越小。矩形波存在上升沿和下降沿，按照芯片生產工藝水平來說，如果將上升沿的時間Tr足夠小，那么下降沿Td就會很大，反之也是如此。所以在實際中假定Tr等于Td，可以求出上升沿和下降沿的時間角度φ=2π·t/T為上升沿和下降沿時間。對驅動電壓進行傅里葉分解，分解式如下：

圖3 驅動電壓的上升沿和下降沿

從式（1）中可以看到對于驅動晶閘管的電壓有高次諧波，這樣也會對周邊電磁環境產生電磁輻射。

3.3.2 變壓器T產生的電磁干擾

高頻電源變壓器產生的干擾的主要原因有磁芯之間的吸力和繞組之間的斥力。但是這些頻率與高頻電源變壓器工作頻率一致。一般高頻開關電源為500kHz，它所產生的干擾頻率一般大于500kHz，小于500kHz的情況比較少。

另外假定負載為額定負載，那么變壓器輸出的電壓表達式為：

對公式（2）進行傅里葉變換，可以得出：

其中，頻率與周期信號一致的分量成為基波，頻率為周期信號3倍的成為3次諧波。3次及以上的諧波成為高次諧波。方波電壓V（t）是高次諧波疊加而成的，諧波電壓在電感、電阻等負載上形成諧波電流。因此負載電流也就是有各次諧波電流疊加而成的，也能對周圍的電磁環境造成干擾。

4 抑制電磁干擾的改進方法

充電器產生的電磁干擾可以用預防性和補救性兩類進行處理。預防性是在設計電路時要將可能產生干擾的過程和原因進行考慮，盡量增加濾波電路，將干擾盡可能的避免。補救性就是克服系統存在的諧波成分采用的技術，目前主要用的方法有濾波器法（有源濾波器和無源濾波器）由于在充電器電路和控制電路系統中諧波分析來看，3次、5次、7次諧波能量比較大，其他的高次諧波能量就相對比較少，可以忽略。所以就需要在第三章提到的高次諧波電路末端加上濾波器。該濾波器可以很好地將3次、5次和7次諧波濾除，保證充電器的電磁干擾在一定距離內不會對敏感設備造成干擾。圖4為設計的無源濾波器。

圖4 無源濾波器

經過多次計算，反復試驗，將此濾波器加在圖2 紅色虛線圈2內的點上，可實現濾波功能。在圖2中整流部分中即紅色區域中加入一個合適的電感，L/R遠大于20mS，這樣整流后的電流就近似于直線，可以避免整流電路造成的電磁輻射。

同理在紅色虛線圈3內加上圖4所示設計的濾波器，對充電器電磁輻射干擾也有明顯的提高，見圖5。

圖5 頻譜測試結果

5 結束語

對電動車目前國家只在國標《GB4824-2004工業、科學、醫療（ISM）射頻設備電磁騷擾特性限制和測量方法》中從工業的角度對電磁輻射進行定義，沒有給出明確的輻射處理和測試輻射的方法和步驟，也沒有對產生輻射的電路原理的合理性的提出改進措施。

經過對國標《GB4824-2004工業、科學、醫療（ISM）射頻設備電磁騷擾特性限制和測量方法》和電動車充電器原理的認真研究，提出以下建議：在國標中對電動車充電器的電子器件和電路的合理布局提出要求，充電器的外殼屏蔽性要給有強制性的要求，明確外殼的材料和屬性，在輻射限值方面應給出具體的要求。■

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