開關電源電磁干擾及其抑制技術研究

劉玉成

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

在電子信息技術高速發展的今天，開關電源由于具有較高的控制效率和更好的穩定性，被廣泛應用于各領域。實際使用開關電源時，會頻繁出現電磁干擾問題，影響了開關電源的使用體驗。需相關學者專注相關抑制技術的研究，以解決開關電源電磁干擾問題，推動開關電源的可靠、穩定應用。

1 分析電磁干擾存在的危害

如果電磁干擾在電源內部形成，并可直接輻射到其他線路，則必然導致電網和其他電氣設施無法正常工作，影響運行質量。同時，電磁輻射不僅會破壞周邊環境，危害動植物和人類的健康，而且容易造成動植物基因突變，從而引發不良健康結果的出現，甚至危及生命。此外，電磁輻射可極大地影響人體的中樞神經系統功能，從而造成人體出現植物神經或者交感神經失調等癥狀。電磁輻射也可直接影響大功率電子設施的正常使用，尤其是高頻設備。

2 開關電源電磁干擾形成原因

2.1 高頻變壓器產生的電磁干擾

通常變壓器初級線圈、開關管及濾波電容是高頻開關電源的主要組成部分。高頻開關電源工作期間，易出現高頻開關電流環路，并在環路中出現一定量級的空間輻射。如果電容量不足或者電容濾波性能存在瑕疵，則高頻電流會在電容高頻阻抗的作用下傳輸至交流電源，從而引發傳導電磁干擾現象，不利于開關電源的正常工作[1]。

2.2 開關管形成的電磁干擾

開關管是開關電源中最關鍵部件，電磁干擾易在開關管中形成。開關電源主要是通過開關管的整流作用來進一步提高開關電力的頻率，隨后在整流諧波的作用下實現電路中電路進程的處理，并確保直流穩定電壓的正常輸出。通常傳統電壓開關存在較短的啟動時間，通過小電荷的功率管實現小電荷的存儲，但是會在開關管動作期間形成較強的諧波干擾[2]。此外，斷開、連接及切換高頻電壓期間，會形成高頻電流，進而導致電流干擾，使開關電源無法可靠工作。

2.3 整流電路形成的電磁干擾

整流電路是開關電源電路中的關鍵組成部分。接通整流電路后，其中的二極管會正向導通，二極管兩端的電壓會顯著上升，二極管的PN結電荷會大量累積，會在一定程度上增加正向電流的數值。同時，隨著變壓器次級線圈開關管高頻率的轉換，會在極短時間內導致二極管的PN結出現高頻率變化，引發電路電流反轉現象，導致高頻電流出現較大程度的衰減和振蕩，進而造成電磁干擾現象，不利于開關電源工作穩定性的提升。

2.4 交流輸入回路形成的干擾

當無工頻變壓器開關電源的輸入端整流管處于反向恢復狀態時，會形成高頻衰減振蕩，進而造成干擾問題。此外，通常開關電源工作期間，諧波干擾和尖峰干擾能量會通過輸入線路和輸出線路逐漸向外擴散，由此形成的干擾類型被稱為傳導干擾。

3 開關電源的電磁干擾抑制技術的研究

3.1 屏蔽技術

電磁屏蔽技術作為重要的物理屏蔽手段，可在一定程度上抑制電磁干擾的出現。電磁屏蔽的應用原理是利用屏蔽體控制出現的電磁能量，以降低電磁能量。電磁屏蔽技術在開關電源中的應用需注意以下內容。（1）屏蔽產生電磁干擾的元器件；（2）屏蔽遭受電磁干擾的元器件。通常變壓器、電感器及功率器件等是開關電源中常遭受電磁干擾的元器件，需對其予以相應的電磁屏蔽，以保證元器件的正常工作。例如，將受電磁干擾的元器件用鐵板或鋼板等予以圍繞，以減少電磁干擾的概率[3]。

3.2 擴頻調制技術

一般電磁干擾能量的強弱與其頻率呈正比關系，如果降低頻率，則電磁波能量呈下降狀態。擴頻調制技術可有效地將諧波能量擴散至更寬的頻率范圍，使能量在每個頻率帶均顯著減小，以降低電磁干擾強度。此外，為提升抑制電磁干擾的效果，建議將擴頻時鐘信號加入到開關電源，并把電磁信號從開關電路中輸出。通過實際應用發現，擴頻調制技術可顯著抑制電磁干擾，可靠性強，并且無需添加其他濾波設備和屏蔽設備。

3.3 濾波抑制技術

為有效抑制高頻開關電源中的電磁干擾現象，濾波抑制技術被廣泛應用。選擇濾波器時，需注意以下幾方面。（1）準確了解工作頻率和抑制頻率，若兩者相差不大，則為準確區分兩種頻率，濾波器需使用頻率特性較大的形式。（2）需確保濾波器可在高壓工況下穩定工作。（3）盡量選擇額定電流較大的濾波器，以控制運行中的工作溫度，保證濾波器電氣元件的穩定工作條件。（4）濾波器要配備屏蔽結構，并且本體要和屏蔽箱蓋存在較好的電接觸。（5）濾波器需具備可靠的工作性能，以免因濾波器故障而導致電磁干擾。

3.4 PCB抑制技術

PCB抑制技術的目的是最大限度地降低PCB電磁輻射，并解決PCB電路間存在的串聯干擾問題。PCB抑制技術包括布局設計、布線設計及接地設計。布局設計與電氣設計存在相似流程。設計時，要確保PCB的規格符合項目要求，同時也要按照合理的長寬比來設計電路板的規格，以提升機械強度[4]。此外，考慮到特殊元器件的位置，需對元器件的布局予以合理設計

3.5 軟開關抑制技術

軟開關移植技術的應用，可使開關電路實現零電流的狀態。軟開關抑制技術是以硬開關為基礎發展起來的，但是與硬開關存在很大不同。硬開關在開關電路中的電流和電壓不是處于零狀態，而是存在疊加情況，并且電壓和電流的變化非常顯著，存在較明顯的脈沖，從而引發程度較大的開關噪聲。軟開關抑制技術中加入了電容和電感等諧振元件，一定程度上抑制了電壓、電流的疊加，有助于進一步降低開關噪聲。此外，軟開關抑制技術中引入了較多現代化技術，如諧振變換器、準諧振變換器、零開關PWM變換器及零轉換PWM變換器。其中，PWM變換器是基于諧振變換器對諧振網絡進行疊加，從而使電路中的電流和電壓處于零狀態。需注意，為提升軟開關抑制技術的使用效果，還需增添輔助電路。

3.6 接地技術抑制干擾

應用接地抑制干擾技術時，需合理選擇接地點，以進一步提升電磁干擾的抑制效果。如果接地存在問題，則勢必導致較大程度地干擾，從而使電子測量儀器設備難以有效工作。例如，對于電纜的屏蔽層和屏蔽罩，要合理選擇接地點，以提升抑制電磁干擾的能力。實際工作中，測量工作要使用一個或者多個儀器，需科學選擇接地點，以更好地抑制電磁干擾。

4 結 論

為有效抑制開關電源形成的電磁干擾，有必要加大電磁干擾抑制技術的研究，并加大電磁干擾抑制技術的研發投入。