高頻開關電源中的電磁干擾問題探討

黃長清

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著高頻開關電源被廣泛應用于通信、家用電器和自動控制等領域，高頻開關電源設計者越來越重視其質量。開關電源處于高頻工作狀態時，會產生較強的電磁干擾和較強的電流，存在較高的電壓變化率。電磁干擾信號產生的電網污染會影響其他設備的正常工作，較寬的頻率范圍和幅度導致電源開關不符合EMC標準。另外，功率開關轉換器在高頻開關中發揮著重要作用。產生電磁干擾的主要部件是該轉換器中的開關功率管和高頻變壓器，這是開關電源產生電磁干擾的根源[1]。

1 高頻開關電源的電磁干擾問題

1.1 來自電源外部的電磁干擾

高頻開關中的電磁干擾有一部分來源于電源外部，如電網中會產生電磁干擾。電網中存在著大量電子、電氣設備，其中的非線性負荷之間有著復雜的電磁轉換過程，過程中會產生一定的電磁干擾。逐漸增加的變頻驅動、計算機、節能熒光燈等設備，會產生電壓波動、浪涌沖擊等，進而產生一定的差模干擾和共模干擾。雷電天氣會產生電磁脈沖干擾，此時周圍空間會出現較強的電磁場，一旦接觸金屬導體，便產生很強的感應電壓[2]。

1.2 高頻開關電源內部的電磁干擾

在高頻開關電源內部，整流器、逆向變換器和變壓器都會產生嚴重的電磁干擾。第一，整流器。非線性整流器是電源開關結構的一部分，可以產生嚴重失真的正弦半波，其中含有的高次諧波經過相互組合形成諧波、電場、磁場和浪涌等，具有連續、脈動和瞬變的特點。第二，變壓器。普通變壓器的主要材料是鐵氧體磁芯和銅線圈，容易因為漏感而產生噪聲，產生一定的電磁干擾。第三，逆向變換器。浪涌噪聲的產生主要是由于分布電容和二極管中存在的電荷會隨著高頻開關電源頻率的升高而增多。此時，電路中的分布電感會產生強烈的電磁干擾。利用軟開關技術可以有效利用這種高頻現象，增強其內部的諧波[3]。

1.3 高頻變壓器引起的干擾

開關電源中的高頻變壓器具有隔離和變壓作用。高頻情況下，變壓器層間的分布電容會產生危險隔離，導致開關電源中的高頻噪聲在初、次級之間相互傳遞。遇到其他問題時，如在電容濾波容量不足或高頻特性不好時，電容上的高頻阻抗會通過變壓器使高頻電流傳導到交流電源中形成傳導干擾。

2 高頻開關電源中電磁干擾抑制措施

按照噪源進行分類，開關電源的干擾可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。工作過程中，在短時間內，其內部能形成電壓和電流波。為了減少電磁干擾問題，可以減弱噪聲的發生源，或者切斷電源噪聲與電網之間的耦合途徑。干擾源、敏感體和耦合通路是產生電磁干擾的主要原因。在符合電磁干擾的模型中，電源開關在高壓、高電流時引起的電磁兼容問題比較復雜，可從以下幾方面抑制電磁干擾。

2.1 采用無源濾波器抑制高次諧波電流

在電源的輸入部分附加扼流圈，是減少噪聲的簡單方法，局限性在于會增大高頻開關電源的體積。圖1是一種由正態電感器和共模電感器組成的無源濾波器，分為前后兩部分，前者是抑制高次諧波的正態電感器，后者是抑制電磁干擾信號的EMI濾波器。其中，L1、L2是兩個獨立線圈。線圈方向不同，濾波器在接入電路后，兩只線圈產生的電流相互抵消，使磁環處于不飽和狀態，保持電感值不變。但是，由于磁環的材料不均勻等原因，使得L1、L2的電感量產生差值，由此產生差模電感。

圖1 無源濾波器

2.2 電磁屏蔽

在不影響電路正常工作的情況下，可以采用電磁屏蔽，使異常產生的電磁干擾不向外部輻射。屏蔽技術包括發出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽兩種。變壓器、電感器等，都屬于可發出電磁波部位，可通過使用銅板或者鐵板減弱電磁波。進行整體屏蔽時，應選擇良好的導電性材料，防止輻射干擾向外部擴散。但是，在使用整體屏蔽時應考慮相關因素，如在屏蔽材料的接縫、電線的輸入輸出等易出現電磁泄露的部位熱量不易散出，結構的成本也更高。

2.3 PCB抗干擾技術

印刷電路板抗干擾技術可以降低PCB的電磁輻射和PCB電路間的串擾，還包括PCB布局、布線和接地技術。開關電源的元器件在布局上要緊密排列，印制電路板布線間的電磁耦合要通過電場和磁場減少通路面積。布線時，應增大線與線之間的距離，抑制電場與磁場的耦合，同時采用靜電屏蔽等減少干擾源和敏感電路的環路面積，降低敏感線路的輸入阻抗。另外，接地也是抑制干擾的重要辦法，包含安全接地、工作接地和屏蔽接地等。進行設計時應注意：第一，選擇的地線要粗，防止接地電位隨電流的變化而變化，導致定時控制信號電平不穩；第二，功率地與弱電地分開，在電路電流和電壓高時，作為負載電路或功率驅動電路的零電位公共基準地線，其功率地受到的干擾會變大；第三，利用“浮地”技術，將交流電源地與直流電源地分開；第四，隨著數字電源開關的發展，為了避免對模擬電路產生干擾，應將模擬電路與數字電路的電源地分開[4-5]。

2.4 軟開關技術的應用

在現代電力技術發展趨勢下，軟開關具有裝置小、輕量化等優勢，是一種可以在零電流狀態下實現開通/關斷的先進開關技術。通過諧振技術或者控制技術實現在零電壓下輕開關技術的使用，降低了開關損耗的能量，提高了開關頻率。在硬開關電路基礎上，增加電容元件和電感是軟開關技術工作的基本思想。開關過程中，用電感和電容降低諧振。在開關開通時（圖2為軟開關的開關過程），電壓比電流下降的速度快，避免了電壓和電流的重合。但是，不要簡單認為軟開關技術可以降低EMI電平，因為在主功率開關器件的軟開關電路中引入了輔助諧振單元，其諧

圖2 軟開關的開關過程

2.5 使用平面變壓器

和普通變壓器相比，平面變壓器具有銅阻低、分布電容低等優勢。平面變壓器采用環形或者小尺寸的鐵氧體磁芯。這些磁芯由鐵氧體材料制成，再用多層印刷電路板制成繞組，然后和高頻鐵芯共同構成變壓器的磁回電路。高頻開關電源中，對磁芯的損耗小，滿足諧振電路的需求，可以有效防止射頻干擾[6]。

2.6 抑制高頻開關電源的電磁脈沖

自然環境中的雷電可以使開關設備產生浪涌。為了保護整個設備，可以通過相關抑制措施，在短時間內將設備上大量的脈沖能量泄放在安全線上。通常，相關技術人員會采用氣體放電管、并聯壓敏電阻等方法進行抑制。在高要求的設備中，可以采取多種方法結合使用。在設備要求低時，可以只使用一種方式解決，以取得良好的效果。

3 結 論

電磁干擾問題是一個綜合很多學科的綜合課題。綜上所述，在微電子技術迅速發展的基礎上，開關電源的小型化、數字化等優勢已經成為發展的潮流，由此產生的高頻電磁干擾問題也成為我國相關學者研究的課題。通過本文的分析可知，軟開關、濾波、PCB設計等技術可以有效抑制電磁干擾，但存在一些誤區，需要在今后的發展中不斷總結提升。