淺談開關電源中電磁干擾的產生及其抑制措施

蔡衛(wèi)兵

[摘要]電磁干擾對開關電源的效率、安全性及使用的影響日益成為人們關注的熱點。本文先分析了開關電源產生電磁干擾的機理，并就目前幾種有效的開關電源電磁干擾措施進行了分析比較，且為開關電源電磁干擾的抑制的進一步研究提出了參考建議。

[關鍵詞]開關電源 電磁干擾 抑制措施 改進措施

開關電源EMI（Electro magnetic Interference），就是通過用電子線路組成開關式（方波）震蕩電路來達到對電能的轉換。這種方式有好多優(yōu)點，一是穩(wěn)壓范圍寬，在一定范圍內輸出電壓與輸入電壓變化無關，電腦電源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式電源無法比擬的。二是效率高，由于采用開關震蕩工作方式，熱損耗特別少，發(fā)熱低。三是結構簡單，相對于其它相同功率的電源，開關電源的體積與重量要少得多。因此，在眾多的電子設備中，開關式電源已經是相當普遍。隨著開關電源應用領域的不斷擴大，其電磁干擾已成為一個很嚴重的問題，開關電源的功率管工作在非線性條件下，采用脈寬調制（PWM）開關控制方式，加之開關頻率的不斷提高，使得電磁干擾越來越突出，對電網造成污染。因干擾的存在，輸入電源的電網受到了干擾，影響到其它設備，使其不能正常的工作，也影響到電網的供電質量。所以，尋找干擾抑制的方法是很必要的。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。

一、開關電源電磁干擾的產生機理

開關電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經過開關管的控制變?yōu)楦哳l，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。因此，自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都會產生不同程度的電磁干擾。開關電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開關管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時，雜散電容會將電網的噪聲傳導到電子系統(tǒng)的電源而對電子線路的工作產生干擾。開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明:

1.二極管的反向恢復時間引起的干擾;

2.開關管工作時產生的諧波干擾;

3.交流輸入回路產生的干擾;

4.其他原因。

元器件的寄生參數(shù)，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

二、開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度。

三、目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因此，抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們的確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

1.采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。

在電路系統(tǒng)設計中應遵循“一點接地”的原則。如果形成多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲，實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。

2.濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。

EMI濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產生的傳導干擾。測試表明，只要適當選擇元器件的參數(shù)，便可較好地抑制開關電源產生的傳導干擾。

四、目前開關電源EMI抑制措施的不足之處

現(xiàn)有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發(fā)。這的確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設備的抗擾能力。殊不知后者還有許多發(fā)展的空間。

五、改進措施的建議

我認為目前從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來抑制干擾，已漸進成熟。我的視點要回到開關電源器件本身來，在電路方面要注意以下幾點:

1.印制板布局時,要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點;ＰＣＢ布線時，高頻數(shù)字信號線要用短線，主要信號線最好集中在ＰＣＢ板中心，同時電源線盡可能遠離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次，根據(jù)印制線路經電流的大小，應盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。再次，可以根據(jù)耦合系數(shù)來布線，盡量減少干擾耦合。

2.印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

3.器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。

4.在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，如用10μＦ鋁電解和0.1μＦ電容并聯(lián)接在電源腳上。對于高速數(shù)字ＩＣ的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。

六、結論

產生開關電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲會使開關電源得到更廣泛的應用。

參考文獻:

[1]周志敏,周紀海,紀愛華.單片開關電源.北京電子工業(yè)出版社,2004.

[2]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計.北京電子工業(yè)出版社,2004.