开关电源电磁干扰研究

・工艺与应用　开关电源电磁干扰研究　张艳蕾，朱高峰　（湖南人文科技学院，湖南娄底４１７０００）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ－ｌｅｉ，ＺＨＵ　Ｇａｏ—ｆｅｎｇ　（Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｈｕｍａｎｉｔｉｅｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｏｕｄｉ　４１　７０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ，ｂｕｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ｅｆｆｅｃｔｅｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙ～　ｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｏｎ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅ～　ｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｈｕｓ　ｉｔ　ｃａｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　摘要：开关电源应用越来越广泛，但产生的电磁干扰严重影响开关电源效率及其使用。本文分析了开关电源产生电磁干　扰的主要原因，并重点给出了相应的抑制措施，以提高开关电源的电磁兼容性。　关键词：开关电源；电磁干扰；抑制；耦合　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　文章编号：１ＯＯ２—８９３５（２００８】０５—００５４－－０４　随着开关电源技术的不断发展和日趋成熟，各　个应用领域对开关电源的需求也不断增长，但开关　电源中所含纹波较大，瞬态响应较差，易产生较强的　电磁干扰（ＥＭＩ，Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），对　电网、通讯设备和电子产品造成干扰。因此，抑制开　１．１　开关回路的噪声　电源工作时，开关管处于高频通断状态，则前级　滤波电容ｃ、脉冲变压器初级线圈、开关管构成高频　开关电流环路，其周期性的电流（ｄｉ／ｄｔ特别大），　从频域来说会含有丰富的谐波成分，产生较大的辐　射噪声；同时，因开关管的负载是脉冲变压器的初级　关电源本身的电磁噪声，同时提高其对ＥＭＩ的抗扰　性，以保证电子设备能够长期安全可靠地工作，是开　发和设计开关电源的一个重要课题。　线圈，是感性负载，所以在开关管通断时，脉冲变压　器的初级线圈会感应出较高的脉冲电压，也即我们　说的浪涌电压（ｄｖ／ｄｔ特别大），也含有丰富的谐波　成分。一方面，它们通过电源线以共模、差模的形式　向外传导，同时，还向周围空间辐射出噪声（图１）。　１．２高频变压器　ｌ　开关电源产生ＥＭＩ的原因　开关电源产生ＥＭＩ的原因较多，其中由基本整　流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换　电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。实验结果表　明，电流高次谐波会沿着输电线路产生传导干扰和　辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波　开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负　载。在开关导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，　形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。　变压器型功率转换电路主要由开关管和高频变压器　组成，是开关稳压电源的核心，它产生的尖峰电压是　一并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在　开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一　部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在　电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电　阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，　形成关断尖峰电压。这种电源电压中断会产生与初　种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波丰富。　圈　垒二　Ｃ　减小了开关损耗，还可以大大减小ＥＭＩ电平。研究　表明，具有电压钳位的零电压定频开关变换器的　ＥＭＩ电平最低。次外，软开关电路不同于一般的吸　收电路，能够在降低ＥＭＩ影响的同时减小开关损　耗。因此，采用软开关电源技术，结合合理的元器件　布置及印制电路板布线，对开关电源的ＥＭＩ水平有　一定的改善。但是简单的认为软开关技术就可以降　低ＥＭＩ电平时一种比较片面的认识，这是由于为实　图１开关电源原理简图　现主功率开关器件的软开关电路中引入了辅助谐振　级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声　会传导到输入输出端，形成传导干扰，重者有可能　击穿开关管。　１．３整流回路的噪声　由输出整流二极管产生的干扰在输出整流二极　管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与　结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到　零点的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管　在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较　强的高频干扰，其频率可达几十ＭＨｚ。　１．４印刷线路板布板及寄生参数引起的噪声　印刷线路板（ＰＣＢ）走线通常采用手工布置，印　刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造　成ＥＭＩ干扰。在开关电源中，有些信号包含丰富的　高频分量，因而任何一条ＰＣＢ引线都可能成为天　线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量，进而影　响它们的频率响应。开关电源的分布参数也易形成　干扰，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初　次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。　共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容　以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。　２开关电源抑制的方法及措施　形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和　受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这几方面　着手。　２．１减小开关电源本身干扰　开关电源的主要干扰来自功率开关管通、断时　的ｄｕ／ｄｔ，因此，减小功率开关管通／断的ｄｕ／ｄｔ是抑　制开关电源干扰的重要措施。人们通常认为软开关　技术可以减小开关管通／断的ｄｕ／ｄｔ。软开关技术　的基本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电　容元件，利用电感和电容的谐振，降低开关过程中的　ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ，是开关器件开通时电压的下降先于　电流的上升，或关断时电流的下降先于电压的上升，　来消除电压和电流的重叠。在理想情况下这样不仅　单元，其谐振会引入高的ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ，增加电路　的ＥＭＩ。常用的钳位电路有两种，如图２所示。　０Ｊ　一　＝ｃ　｛　『）ｌ　，ｒ｛　Ｉ．．．．．　．一　—　ｌ　．一　。　图２常用的钳位电路　２．２使用ＥＭＩ滤波　在进行ＥＭＩ电源滤波器电路结构分析时，通常　将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等　效电路的Ａ参数矩阵并得出对应的插入损耗。图３　和图４分别给出了ＥＭＩ滤波器在理想状态下的共　模等效电路和差模等效电路。　—　一—　．－，　，ｎ广　Ｌ—　＿—　＇＿—，一　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｌ　图３理想共模等效电路　．１．　一　ｌ　ＪＤＭ　－＿＿　ｉ．　士　．．．．．．．．．．Ｊ　．．．．．．．．．．．．．．．．．　．．．．．．．．．．Ｌ　图４理想差模等效电路　其中Ｌ　Ｍ是等效共模电感，Ｌ。　是等效差模电　感。　ＬｃＭ—Ｌ—卜ＬＤ　ＬＤＭ—Ｌ　＋２ＬＤ　ｃ　３一Ｃ　２＋Ｃ　／２　Ｌ　是在绕制共模扼流圈时产生的不平衡漏电　感，在滤除差模干扰信号时相当于差模电感的作用。　一般情况下，Ｌ。《Ｌ，Ｌ　＜２Ｌ。且Ｌ　￣Ｌ／１００。　可求出共模等效电路的Ａ参数矩阵如下：　２００　８　－０５．．　—　。．．］［．．．．　一１一ｃｕ。ＬｃＭＣ　２一　（ｃＪ　ＬｃＭ　一灿Ｃ　２—１　可求出差模等效电路的Ａ参数矩阵如下：　ｒ　１１—１一叫。Ｌ。ＭＣｘ３　Ｉ口１２一Ｊ叫ＬＤＭ　１　ｌａ２２—一如（１ｎ　００２Ｌ　　１＋Ｃｃ　ｘ３一∞　ＬＯＭ　１　３）　当然，就ＥＭＩ滤波器本身而言，无论是在设计　还是使用上都存在一些问题，以至于在功率、体积甚　至滤波性能等方面都不能做到令人满意的程度。　ＥＭＩ滤波器的选择要注意：要求电磁干扰滤波　器在相应的工作频段范围内，能满足负载要求的衰　减特性；为使工作时的滤波器频率特性与设计值相　符合，在要求的频段上，滤波器的阻抗必须和它连接　的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配；电磁干扰滤波器　必须具有一定的耐压能力，能够经受输入瞬时高压　的冲击；滤波器连续通以最大额定电流时，其温升要　低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器　中元件的工作性能；滤波器须具有屏蔽结构，屏蔽箱　盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应　尽量短，最好选用短引线低电感的穿心电容；要有较　高的工作可靠性，因为作防护电磁干扰用的滤波器，　其故障往往比其他元器件的故障更难找。　２．３　电磁屏蔽　静电屏蔽：用完整的金属屏蔽体将带正电的导　体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体　等量的负电荷，外测出现与带电导体等量的正电荷，　如果将金属屏蔽体接地，则外测的正电荷将流如大　地，外测将不会有电场存在，即带正电导体的电场被　屏蔽在金属屏蔽体内。　交变电场屏蔽：为降低交变电场对敏感电路的　耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置　导电性能好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。　交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交　变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。　电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体应以结构强度为　主要考虑因素。　屏蔽能效（Ｅ　）的定义是：在电磁场中同一地点　无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度　之比，常用分贝数（ｄＢ）表示。　ＥｓＥ＝＝Ａ—　—Ｒ　Ｂ　式中：Ａ为吸收损耗；Ｒ为反射损耗；Ｂ为多次反射　圃　Ｑ　璺二Ｑ曼　损耗。　可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，　用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压　器的磁场泄露，使变压器初次级耦合良好，可以利用　闭合磁环形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明显　比Ｅ型的小很多。开关电源的连接线，电源线都应　该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止外部干扰耦合　到电路中。或者使用磁珠、磁环等ＥＭＣ元件，滤除　电源及信号线的高频干扰，但是，要注意信号频率不　能受到ＥＭＣ元件的干扰，也就是信号频率要在滤　波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良　好的屏蔽特性，接缝处要符合ＥＭＣ规定的屏蔽要　求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环　境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。　屏蔽能切断干扰源和被干扰对象之间的磁力　线，以免除电感性耦合、电容性耦合等的电磁干扰。　任何两个导体之间都存在着电容。电容值与介　质的介电常数ｅ和两个导体的有效面积成正比，与　两个导体之间的距离Ｄ成反比。当两个平行圆导　体直径为ｄ时，其电容ｃ为：　ｃ一—ｌ＿Ｅｎ（　Ｄ／ｄ一）　（１）　当一个导体对地具有电位ｕ　，阻抗ｚ　，另一　个导体对地具有阻抗ｚ　，两个导体具有相同的电　位，通过两个导体之间的电容，在另一个导体上将　产生干扰电压Ｕ。为：　Ｕ２Ｚ１　（２）　ｚ１＋ｚ２＋　当阻抗Ｚ　和阻抗Ｚ２中含有电感分量时，产生　的干扰电压【，　有可能大于导体１对地的电位Ｕ　。　电容性耦合的等值电路图如图５所示。　任何两个导体之间都存在着互感。互感值与介　质的磁导率　成正比，并与回路的几何尺寸有关。　两个回路的布局如图６所示。　图６中１～１为第一个回路，２～２为第二个　回路，ｎ，ｂ，ｃ，ｄ为回路的间距。另外设ｚ为回路　的长度。两个回路的互感Ｍ为：　Ｍ—ｌｌ／ｌｎ（　ａｃ／ｂｄ）（３）　７ｃ　当第一个回路具有电流ｉ　，通过两个回路的互　感Ｍ，在第二个回路上产生的干扰电压己，　为：　Ｕ２一Ｍｄｉｌ／ｄｔ　（４）　２．４　ＰＣＢ布局　就开关电源器件本身而言，应将所有通过高频　图５　电容性耦合的等值电路图　图６　两个回路的布局图　交流的电流和印制线设计得尽可能短而宽，印制线　的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度　则与印制线的电感量和阻抗成反比。根据印制线路　经电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电　阻。其次，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响　而应遵循“一点接地”原则，利用一个导电平面底板　或多层印制板电路的导电平面层等作为参考地，需　要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减　小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的　幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将　低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，　再连接到公共参考点上。对于数字ＩＣ电源端来说，　要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和　地线单独引出，电源供给处汇集到一点。当然，器件　应多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，　以减小元件分布电感的影响。　３　结束语　随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来　越大，ＥＭＩ控制问题成为开关电源稳定性的一个关　键因素。应将设计思想方法与具体技术相结合，在　分析开关电源产生电磁干扰的机理之上，建立相关　的分析设计模型，综合运用各种手段来进行解决。　从而改善开关电源电磁兼容性能，尽可能降低开关　电源的电磁干扰。　参　考　文　献　［１］赵金奎．共模干扰和差模干扰及其抑制技术［Ｊ］．电子质　量，２００６．　［２］李建婷，丁志亮，熊蕊．开关电源ＥＭＩ的抑制策略［Ｊ］．　通信电源技术，２００６．　［３］王水平，等．开关稳压电源一原理、设计及实用电路　Ｉ－Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００５．　Ｅ４］王剑乔．抑制开关电源传导发射的滤波措施研究［Ｊ］．电　力科学与工程，２００４．　作者简介：张艳蕾（１９７９一），女，主要研究方向为应用电子技　术，Ｅｍａｉｌ：ｚｙｌｌｉｔｔｌｅｇｉｒｌ＠１６３．ｃｏｒｎ。　收稿日期：２Ｏ０８一Ｏ２—２８　２００８－０５．—．．．．．．．．．．．．．．．．．．］［．．．．．