高頻開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾問(wèn)題探討

黃長(zhǎng)清

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

隨著高頻開(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于通信、家用電器和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)者越來(lái)越重視其質(zhì)量。開(kāi)關(guān)電源處于高頻工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾和較強(qiáng)的電流，存在較高的電壓變化率。電磁干擾信號(hào)產(chǎn)生的電網(wǎng)污染會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作，較寬的頻率范圍和幅度導(dǎo)致電源開(kāi)關(guān)不符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。另外，功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在高頻開(kāi)關(guān)中發(fā)揮著重要作用。產(chǎn)生電磁干擾的主要部件是該轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)功率管和高頻變壓器，這是開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的根源[1]。

1 高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題

1.1 來(lái)自電源外部的電磁干擾

高頻開(kāi)關(guān)中的電磁干擾有一部分來(lái)源于電源外部，如電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。電網(wǎng)中存在著大量電子、電氣設(shè)備，其中的非線性負(fù)荷之間有著復(fù)雜的電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾。逐漸增加的變頻驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)、節(jié)能熒光燈等設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)、浪涌沖擊等，進(jìn)而產(chǎn)生一定的差模干擾和共模干擾。雷電天氣會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖干擾，此時(shí)周圍空間會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，一旦接觸金屬導(dǎo)體，便產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓[2]。

1.2 高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電磁干擾

在高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部，整流器、逆向變換器和變壓器都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。第一，整流器。非線性整流器是電源開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的一部分，可以產(chǎn)生嚴(yán)重失真的正弦半波，其中含有的高次諧波經(jīng)過(guò)相互組合形成諧波、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和浪涌等，具有連續(xù)、脈動(dòng)和瞬變的特點(diǎn)。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?yàn)槁└卸a(chǎn)生噪聲，產(chǎn)生一定的電磁干擾。第三，逆向變換器。浪涌噪聲的產(chǎn)生主要是由于分布電容和二極管中存在的電荷會(huì)隨著高頻開(kāi)關(guān)電源頻率的升高而增多。此時(shí)，電路中的分布電感會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效利用這種高頻現(xiàn)象，增強(qiáng)其內(nèi)部的諧波[3]。

1.3 高頻變壓器引起的干擾

開(kāi)關(guān)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(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)隔離，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源中的高頻噪聲在初、次級(jí)之間相互傳遞。遇到其他問(wèn)題時(shí)，如在電容濾波容量不足或高頻特性不好時(shí)，電容上的高頻阻抗會(huì)通過(guò)變壓器使高頻電流傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。

2 高頻開(kāi)關(guān)電源中電磁干擾抑制措施

按照噪源進(jìn)行分類，開(kāi)關(guān)電源的干擾可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。工作過(guò)程中，在短時(shí)間內(nèi)，其內(nèi)部能形成電壓和電流波。為了減少電磁干擾問(wèn)題，可以減弱噪聲的發(fā)生源，或者切斷電源噪聲與電網(wǎng)之間的耦合途徑。干擾源、敏感體和耦合通路是產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。在符合電磁干擾的模型中，電源開(kāi)關(guān)在高壓、高電流時(shí)引起的電磁兼容問(wèn)題比較復(fù)雜，可從以下幾方面抑制電磁干擾。

2.1 采用無(wú)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(jiǎn)單方法，局限性在于會(huì)增大高頻開(kāi)關(guān)電源的體積。圖1是一種由正態(tài)電感器和共模電感器組成的無(wú)源濾波器，分為前后兩部分，前者是抑制高次諧波的正態(tài)電感器，后者是抑制電磁干擾信號(hào)的EMI濾波器。其中，L1、L2是兩個(gè)獨(dú)立線圈。線圈方向不同，濾波器在接入電路后，兩只線圈產(chǎn)生的電流相互抵消，使磁環(huán)處于不飽和狀態(tài)，保持電感值不變。但是，由于磁環(huán)的材料不均勻等原因，使得L1、L2的電感量產(chǎn)生差值，由此產(chǎn)生差模電感。

圖1 無(wú)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(chǎn)生的電磁干擾不向外部輻射。屏蔽技術(shù)包括發(fā)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(fā)出電磁波部位，可通過(guò)使用銅板或者鐵板減弱電磁波。進(jìn)行整體屏蔽時(shí)，應(yīng)選擇良好的導(dǎo)電性材料，防止輻射干擾向外部擴(kuò)散。但是，在使用整體屏蔽時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)因素，如在屏蔽材料的接縫、電線的輸入輸出等易出現(xiàn)電磁泄露的部位熱量不易散出，結(jié)構(gòu)的成本也更高。

2.3 PCB抗干擾技術(shù)

印刷電路板抗干擾技術(shù)可以降低PCB的電磁輻射和PCB電路間的串?dāng)_，還包括PCB布局、布線和接地技術(shù)。開(kāi)關(guān)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(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)減少通路面積。布線時(shí)，應(yīng)增大線與線之間的距離，抑制電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合，同時(shí)采用靜電屏蔽等減少干擾源和敏感電路的環(huán)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(dǎo)致定時(shí)控制信號(hào)電平不穩(wěn)；第二，功率地與弱電地分開(kāi)，在電路電流和電壓高時(shí)，作為負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位公共基準(zhǔn)地線，其功率地受到的干擾會(huì)變大；第三，利用“浮地”技術(shù)，將交流電源地與直流電源地分開(kāi)；第四，隨著數(shù)字電源開(kāi)關(guān)的發(fā)展，為了避免對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾，應(yīng)將模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開(kāi)[4-5]。

2.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)代電力技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，軟開(kāi)關(guān)具有裝置小、輕量化等優(yōu)勢(shì)，是一種可以在零電流狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)開(kāi)通/關(guān)斷的先進(jìn)開(kāi)關(guān)技術(shù)。通過(guò)諧振技術(shù)或者控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)在零電壓下輕開(kāi)關(guān)技術(shù)的使用，降低了開(kāi)關(guān)損耗的能量，提高了開(kāi)關(guān)頻率。在硬開(kāi)關(guān)電路基礎(chǔ)上，增加電容元件和電感是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)工作的基本思想。開(kāi)關(guān)過(guò)程中，用電感和電容降低諧振。在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)（圖2為軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)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(jiǎn)單認(rèn)為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低EMI電平，因?yàn)樵谥鞴β书_(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)電路中引入了輔助諧振單元，其諧

圖2 軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)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(yōu)勢(shì)。平面變壓器采用環(huán)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(gòu)成變壓器的磁回電路。高頻開(kāi)關(guān)電源中，對(duì)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(kāi)關(guān)電源的電磁脈沖

自然環(huán)境中的雷電可以使開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)生浪涌。為了保護(hù)整個(gè)設(shè)備，可以通過(guò)相關(guān)抑制措施，在短時(shí)間內(nèi)將設(shè)備上大量的脈沖能量泄放在安全線上。通常，相關(guān)技術(shù)人員會(huì)采用氣體放電管、并聯(lián)壓敏電阻等方法進(jìn)行抑制。在高要求的設(shè)備中，可以采取多種方法結(jié)合使用。在設(shè)備要求低時(shí)，可以只使用一種方式解決，以取得良好的效果。

3 結(jié) 論

電磁干擾問(wèn)題是一個(gè)綜合很多學(xué)科的綜合課題。綜上所述，在微電子技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，開(kāi)關(guān)電源的小型化、數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為發(fā)展的潮流，由此產(chǎn)生的高頻電磁干擾問(wèn)題也成為我國(guó)相關(guān)學(xué)者研究的課題。通過(guò)本文的分析可知，軟開(kāi)關(guān)、濾波、PCB設(shè)計(jì)等技術(shù)可以有效抑制電磁干擾，但存在一些誤區(qū)，需要在今后的發(fā)展中不斷總結(jié)提升。