開關電源的電磁干擾及技術趨勢分析

劉杰 宋運昌

摘要：近年來，我國開關電源以追求高效率、低容量、高頻率的特點得到了廣泛的應用。它不僅具有適應性好、功率增大、頻率可變的技術優點，而且技術發展迅速。本文對開關電源本身的電磁干擾及抑制對策進行分析和研究，促進我國的電網系統穩定發展。

關鍵詞：開關電源;電磁干擾; EMI; 抑制

一、開關電源管的工作電動機理和開關電磁干擾工作原理

（一）開關電源的工作機理

開關電源在大多數產品中的主要功能是為了保證整個設備的正常工作運行提供電源。主要由以下部分功能組成：第一是輸入電源處理（整流、保護、濾波等）電路;第二是控制電路（IC控制等）;第三是能量轉換（變壓器等）電路;第四是輸出反饋處理回路;第五是輸出電壓處理回路（穩壓、儲能、濾波等）。另外輸入電壓經過整流前也會有浪涌、穩壓等前期濾波回路，整流后也會經過X電容、共模電感、Y電容、母線電容等濾波回路，這些回路可以有效防止本身可能產生的電磁干擾從而影響整個主線路電網;控制回路主要是選擇不同的PWM IC芯片，根據IC的不同進行不同的控制配置;能力轉換只要是變壓器及周邊回路，如吸收回路，開關的MOS管等;輸出反饋是對輸出電壓或電流的檢測，并進行調整回路;輸出的電壓由于存在一些噪音或者根據后面使用的用途進行濾波、儲能、或者保護等設計;

（二）電磁干擾的產生及其原理

開關電源本身在工作時以及電子設備處于開關工作狀態時，都會在電源設備的輸入端出現終端噪聲，產生輻射及傳導干擾，也會進入交流電網干擾其它的電子設備，所以必須采取有效措施加以抑制。在開關電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導體器件開關動作產生的DV/DT和DI/DT，因而電磁發射EME（Electromagnetic Emission）通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關工作頻率到幾MHz。開關電源的EMI干擾源集中體現在功率開關管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環境對開關電源的干擾主要來自電網的抖動、雷擊、外界輻射等。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基于上述標準，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的電磁干擾衰減至合理范圍內即可。

二、開關電源的電磁干擾新技術趨勢分析

這些電磁干擾噪聲，通過輻射和傳導耦合的方式，會影響在此環境中運行的各種電子設備的正常工作。開關電源技術是一項綜合性技術，我們可以利用先進半導體設計技術、磁性材料、電感元件技術以及開關器件技術等來有效地減少和抑制EMI信號干擾。以下是通過傳統的抑制方法和幾個新的熱門方法進行說明。

傳統的抑制方法可以總結如下：

①減小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、減緩其斜率，）;

②壓敏電阻的合理應用，以降低浪涌電壓;

③阻尼網絡抑制過沖

④采用軟恢復特性的二極管，以降低高頻段EMI

⑤有源功率因數校正，以及其他諧波校正技術

⑥采用合理設計的電源線濾波器

⑦合理的接地處理

⑧有效的屏蔽措施

⑨合理的PCB設計等

新的控制方法—（一）調制頻率（Modulated Frepuecy）控制電磁干擾是根據開關頻率周期變化的，干擾能量集中在離散的開關頻率點上，很難滿足EMI標準的要求。如果把開關信號的能量調制分布在一個很寬的頻帶上，產生一系列分立邊頻帶，則可以將干擾頻譜展開，使干擾能量分布在各個頻段上，這樣更容易達到EMI標準。頻率調制方法就是根據這種原理實現對開關電源電磁干擾的抑制。最初人們采用隨機頻率控制，其主要思想是：在控制回路中加入一個隨機擾動分量，使開關間隔（占空比D）進行不規則變化。則開關噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續分布噪聲，其峰值大大下降。

（二）新的無源緩沖電路設計

開關變換器中主要的電磁干擾是在開關管開關時刻產生的。以整流二極管為例，在開通時，其反向恢復電流不僅引起大量的開通損耗，還產生很大的di/dt。導致電磁干擾;在關斷時，其兩端的電壓快速升高，有很大的dv/dt，從而產生電磁干擾。緩沖電路不僅可抑制開通時di/dt變化率、限制關斷時dv/dt的變化，還具有電路簡單、成本低的特點，因而得到廣泛應用。

（三）無源補償技術

應用無源補償技術，則可以在不影響主電路工作的情況下較好地抑制電路的共模干擾，并可減少LCM、節省成本。 由于共模干擾是由開關器件的寄生電容在高頻時的di/dt產生的，因此，用一個額外的變壓器繞組在補償電容上產生一個180°的反向電壓，產生的補償電流再與寄生電容上的干擾電流迭加，從而消除干擾。這就是無源補償的原理。

（四）濾波和去耦

濾波是將交流電源整流后的交流分量抑制掉。濾波后，直流電源中的紋波對電子電路各級的影響是不同的。因此需要對敏感部分或源加去耦合電路，去耦電路就是一個RC電容濾波電路，見圖2。

合理布置電源的供電走線，將流有大電流的走線和輸入級的供電線分開，供電線成網狀分布，以降低印制電路板的銅箔電阻。

在數字信號處理領域普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。簡言之，EMI濾波設計可以理解為要滿足以下要求：

1）規定要求的阻帶頻率和阻帶衰減;（滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減）;

2）對電網頻率低衰減（滿足規定的通帶頻率和通帶低衰減）;

3）低成本。

（五）合理接地和抑制從變壓器串入的干擾

合理接地十分重要，它可以基本消除電流流過地線形成的耦合。通過地線的耦合示意圖見圖3。采用一點接地可有效消除之間通過地線的不良耦合。

一點接地就是將電子電路各級的接地點接在一點，特別要注意噪音源地線與退耦電容的接地點要盡可能地接在一點。

功率器件開關干擾，特別是高頻干擾，可通過變壓器進入線或PCB中。抑制這種干擾的方法是給變壓器原副繞組之間加屏蔽層，加輸入低通濾波器。這些技術措施如圖4所示。

四、結語

本文從多個不同方面詳細闡述了開關電源設計工作中可能產生線路電磁波的主要原因及解決對策。全面深入分析各種影響開關能源電網備用電源運行穩定性的各種因素，充分考慮結合不同電路技術要求制定開關電路設計解決方案，有效率地控制和完全消除線路電磁干擾對開關電網的各種負面影響。

參考文獻：

[1]曹元玲.淺談開關電源電磁干擾的抑制措施[J].科技創新導報，2018，8.

[2] 偉英，丘水生.開關電源電磁干擾抑制技術[J].低壓電器，2017，19.