開關電源電磁兼容設計要點分析

柳州汽車檢測有限公司 夏 圣

電磁兼容設計是開關電源設計的重要內容，本文首先對開關電源電磁兼容的基本概念進行介紹，然后對開關電源電磁兼容的特點和來源進行了分析，接下來對開關電源的總體結構進行了設計，從不同的角度對開關電源的電磁兼容性設計要點進行了深入的研究。

受新技術的影響，開關電源近年正不斷朝著高頻化、微型化、高效化的方向延伸，這些結構的改變和技術的升級都使開關電源的電磁干擾問題變得更加嚴重。在這樣的背景下，電磁兼容性設計對于開關電源的整體性能和產品競爭力有著十分關鍵的影響，電磁兼容設計已經成為開關電源設計的核心技術之一，受到了業內的廣泛關注。

1 電磁兼容性的含義

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility， EMC）是指電子設備在工作期間互不干擾的一種電氣性能指標，也就是說，電子設備自身要保持正常的工作狀態，同時又不以犧牲周邊電子設備的工作性能為代價。然而電子設備在工作期間總會通過各種方式產生相互的干擾，因而電磁兼容性設計的理念應運而生。每個電子產品都存在一定程度的電磁干擾，因此實際上我們周圍的空間上充斥著復雜的電磁干擾。電磁干擾對于無線電通信的干擾尤為明顯，因此對電磁兼容問題進行研究是十分必要的。

2 開關電源EMC的特點

在傳統的變壓變頻技術中主要采用了笨重而低效的工頻變壓器，開關電源的出現可以說是電源設計領域的一次革命，它不僅體積小、結構緊湊，而且變壓范圍也得到了進一步的擴寬，效率也明顯高于傳統的電源產品。然而應該注意到的是，開關電源雖然體積更小了，但這對于電磁兼容設計而言卻是一項挑戰，因為更加有限的空間內要想減少電磁干擾變得更加困難了，在開關電源接通或斷開的瞬間由于尖峰電壓、漏感、分布電容的存在，會不可避免地帶來諧波干擾，這不僅會對開關電源本身產生影響，也不利于周邊電子設備的穩定工作。

3 開關電源電磁干擾的產生

3.1 外部環境的干擾

開關電源的正常工作會受到外部環境的影響，例如電網諧波、雷電、周邊電子設備等等，這些外部環境對開關電源產生的影響是不相同的，但可以歸為兩類，分別是差模干擾和共模干擾。由于電路中的阻抗不對稱，可能造成兩種干擾信號在傳輸時以不同的分量同時出現并相互轉換。雷擊是一種常見的外部干擾源，雷電在電路中表現為一個很強的尖峰沖擊電壓，會造成電子設備的燒毀。無論是哪類外部干擾，都是可以通過一定的技術手段進行抑制的。

3.2 整流回路的干擾

在開關電源電路中，整流回路包括一次整流回路和二次整流回路，由于電路功能和結構的差異，這兩種干擾的表現是不一樣的。

在一次整流回路中，電網的交流電在整流之后被轉換為單向的脈沖直流，如果對其進行頻譜分析可以發現它包含一個基波和一系列倍頻分量。這些倍頻分量又稱為高頻諧波，會使電流波形出現畸變。在采用大電容進行濾波之后，這些諧波仍然是不能完全清除的。對于二次整流回路中的整流管通常是以高速通斷狀態進行工作的，不同的整流管之間會形成一個閉環，從而產生電磁輻射干擾。另外，二次整流回路中的一共關管由于存在一定的導通電阻和結電容，這些都會成為高頻振蕩的隱藏條件。

3.3 開關回路的干擾

開關電源內部集成一大量的開關管，實際上，開關電源對電能的轉換功能正是通過大量開關管快速在通斷狀態之間切換來實現的，由于切換的頻率非常高，因而會對外產生電磁干擾。另外，開關電源有時候也會受負載漏感的影響而在開關期間產生強烈的尖峰電壓，該電壓可能會恰好疊加在關斷電壓上，從而返回到電網中對整個電網產生干擾。

3.4 變壓器的干擾

為了實現電能的轉換，開關電源內部一般會集成高頻變壓器，該變壓器不僅可以起到變壓作用，還可以對輸入回路和輸出回路之間進行有效隔離。理想情況下，輸入輸出回路是互不干擾的，但實際變壓器總會存在漏感，從而帶來電磁感應噪聲。另一方面，變壓器繞組之間也存在一定程度的分布電容和漏感，這樣就會使得產生的諧波由初級回路傳遞到次級回路，對電源的輸出質量產生不良影響。

4 開關電源總體架構設計

在電子系統中，開關電源的作用主要就是把電網提供的交流電通過整流裝置轉換變為后級設備正常工作所需的直流電源。為了使輸出的直流信號更加穩定，通常不會加入濾波環節和反饋環節。一個典型的開關電源主要包括：輸入整流電路、輸入濾波電路、逆變電路、控制電路、輸出整流電路、輸出濾波電路，以及其它輔助性的外圍電路等等。

在開關電源的各部分電路中，輸入整流電路的作用是將電網的交流電轉換為直流電，其后一般緊跟一個濾波電路，可以使直流信號相對平滑一些。逆變電路的核心是一個高頻變壓器，可以把高壓直流信號進行降壓。控制電路通常是一個負反饋電路，它可以參考電路的各參數進行實時測量并與輸入進行比較，不斷對輸入輸出量進行調節，使輸出端的電壓和電流更加穩定。輸出整流環節也可以將交流信號變換成直流信號，并進一步降低電壓紋波，使輸出盡量保持平穩。在以上電路中，逆變環節是控制環節是整個開關電源系統的核心功能部件。

5 開關電源的電磁兼容性設計要點

5.1 防雷電路設計要點

由于開關電源的工作對外部干擾十分敏感，而雷電又是最常見且危害最嚴重的外部電磁干擾形式之一，做好防雷設計可以提高開關電源的自我保護能力，因此防雷設計應重點考慮。雷電產生的浪涌電壓經過低阻抗的整流濾波環節后，會造成整流二極管電流過大而燒壞，同時電壓脈沖給濾波電容充電，超出其耐壓范圍而損壞。

根據這雷電的這一破壞原理，我們在進行開關電源的防雷設計時可以采用瞬變干擾吸收器，在輸入電壓大于設定范圍時會自動限壓，將多余的能源引導到其它電路中去。

常用的限壓器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、保險絲等等，它們的工作原理各不相同，但都可以起到電壓限制作用，在不同的應用場合中，可以根據成本、性能、電路結構等因素進行綜合設計。本文同時采用三種器件，當雷擊浪涌電壓進入開關電源輸入級后，壓敏電阻Rvz首先進入擊穿區并轉入低阻態，通過鉗位將就將電壓穩定在較小的范圍，但電流會急劇增加，這時由氣體放電管吸收并放電，使浪費電流返回至干擾源。如果以上功能失效，保險絲會由于高溫熔斷而切斷電路，保護開關電源其它器件不受損壞。

5.2 濾波電路設計要點

由于開關電源的工作頻率極高，因此需要高頻方波信號作為驅動。眾所周知，方波信號在頻譜中包含了大量的高頻諧波成分，這些高頻諧波會傳導至后級電路產生干擾，而一般是通常濾波環節的設計來解決該問題的。濾波環節不僅可以防止高頻成分進入用電設備，還可以防止用電設備的諧波反向傳輸到電網。

考慮到開關電源的特點，其共模噪聲通常有很大高的阻抗值，所以要通過一個大電容來進行濾波，但要求其阻抗不能太高。另一方面，開關電源的諧波成分一般其阻抗不會太高，因此只需要串聯一個電感器即可起到較好的濾波效果，但要求電感的阻抗要盡量高一些。在實際設計過程中，充分考慮差模和共模成分的比例，根據具體情況選擇參數，通過電路仿真進行調優，采用最佳的電路結構和電優阻抗參數。

5.3 軟啟動設計要點

傳統的開關電源設計在啟動時一般不做特殊處理，啟動過程不受控制，也就是平時所講的硬啟動。但是硬啟動由于會出現電流或電壓尖峰，可能對器件造成損壞。因此采用軟啟動可以在一定程度上緩解以上問題，這也是電磁兼容設計的重要改進。

本文采用了比較常用的NE555繼電器實現開關電源的軟啟動。該器件內部集成了一個高精度計時器，可以完成精確的計時任務，從而在所需的時間點準確完成動作的控制。該器件的工作電壓范圍在4.5V～18V均可，工作電流不能超過6mA，輸出電平響應時間在100ns以內，可以較好地滿足開關電源軟啟動的需求。繼電器與一個電阻并聯，避免沖擊電流燒毀器件。在開關電源接通后，通過繼電器開始計時，在0.2s～0.5s的時候再控制開關管導通，既不過度影響電路響應時間，又可以對沖擊電流進行有效的緩沖，從而顯著減少開關電源的啟動階段的電磁干擾。

5.4 同步整流設計要點

根據二極管的基本特性，二極管在導通的瞬間，其兩端的電壓并不是一個簡單的方波，而是會出現一尖峰再回到正常電壓，這種反向恢復的特點使二極管的每一次導通或判斷都會產生一個電磁干擾信號。

在以往的開關電源設計中，多采用電阻較高的肖特基二極管來完成整流工作，如果輸出不高，這種設計會造成效率的明顯損失。本文采用高性能MOS管作為同步整流器件，進一步減小導通電阻，使得更多的輸入功率可以轉化為有功功率，避免不必要的損耗，同時有效降低開關電源的電磁干擾。

結語：在開關電源的設計過程中，電磁兼容性是必須考慮的重要問題之一，設計者應采取有效的措施持續降低開關電源的電磁干擾，只有解決了電磁兼容問題，開關電源才能更好地朝著微型化、集成化的方向持續發展。