開關電源電磁騷擾的抑制

0??? 前言

??? 隨著現代科學技術的發展，開關電源被廣泛應用于各種電子設備或系統之中。開關電源性能的好壞，直接影響設備或系統的正常運行。開關電路是開關電源的核心，開關電路在高頻下的通、斷過程產生大幅度的電壓跳變，即產生的dv/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是開關電源電磁騷擾的主要因素。抑制開關電路的電磁騷擾已成為提高開關電源性能的主要途經。

1??? 開關電路電磁騷擾（EMD）的產生及傳播途徑

??? 開關電源主要由一次整流電路、開關電路、二次整流電路、反饋觸發控制電路組成。開關電路是開關電源的核心，主要由功率開關管S和高頻變壓器(L₁及L₂)組成，如圖1所示。

圖1??? 典型開關電源結構原理及共模、差模干擾的傳播路徑

1.1??? 開關電路產生電磁騷擾的原因

??? 功率開關管S的負載為高頻變壓器初級線圈L₁，是感性負載。在S導通瞬間，L₁產生很大的涌流，并在其兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；在S斷開瞬間，由于L₁的漏磁通，致使一部分能量沒有從L₁傳輸到二次線圈L₂，儲藏在漏感中的這部分能量將和漏極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，這種電壓會產生與L₁接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸入輸出端，形成傳導騷擾，重者有可能擊穿開關管及該電路中其它元器件。

??? L₁，S和濾波電容C₁構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容C₁濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。

1.2??? 電磁騷擾的傳播途經

??? 開關電源中的電磁騷擾對外表現為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾可分為共模（Common Mode——CM）干擾和差模（Differential Mode——DM）干擾。由于開關電路寄生參數的存在以及開關器件的高頻開通與關斷，使得開關電源在其輸入端（即交流電網側）產生較大的共模干擾和差模干擾[2]。

??? 共模干擾的特點是干擾的大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模干擾也稱為縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。是載流體與大地之間的干擾。

??? 開關電路在高頻情況下，由于dv/dt很高，激發變壓器線圈間、以及開關管與散熱片間的寄生電容，從而產生了共模干擾。如圖1中的虛線所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關管S出發經過分布電容C_i流經接地散熱片和地線，再由高頻LISN網絡（由兩個50Ω電阻等效）流回輸入線路。

??? 差模干擾的特點是大小相等，方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱為常模干擾、橫模干擾或對稱干擾。是施加于載流體之間的干擾。

??? 開關電路中的電流在高頻情況下作開關變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應了干擾電壓。這時就會產生差模干擾，如圖1中的實線所示。故選用高質量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

??? 共模干擾說明干擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，而差模干擾則說明干擾源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉化，情況十分復雜。

2??? 開關電路電磁騷擾的抑制

2.1??? 選擇合適的開關電源電路拓撲及工作頻率

??? 開關電源的工作頻率與其產生的騷擾強度密切相關。低的開關電源工作頻率不但可以減少騷擾的高頻分量，其傳導騷擾和輻射騷擾的傳播效率也會大大降低。

2.2??? 選擇合適的電路元器件

??? 在開關電路中，開關管是核心，不同品牌的開關管輻射騷擾相差可達15～20dB。開關電路中另一關鍵部件是脈沖變壓器，脈沖變壓器對電磁兼容的影響表現在兩個方面：一個是初級線圈與次級線圈的分布電容C_d，一個是脈沖變壓器的漏磁。通過在初級線圈與次級線圈間加靜電屏蔽層并引出接地，該接地線盡量靠近開關管的發射極接直流輸入的0V地(熱地)，這樣可以大大減小分布電容C_d，從而減少了初、次級的電場的耦合騷擾。為了減小脈沖變壓器的漏磁，可以選擇封閉磁芯(如環形)，封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。還可以通過在脈沖變壓器外包高磁導率的屏蔽材料抑制滑磁。從而減小了通過漏磁輻射的騷擾。

2.3??? 增加無源緩沖電路

??? 緩沖電路不僅可以抑制開通時的di/dt、限制關斷時的dv/dt，還具有電路簡單、成本較低的特點，因而得到了廣泛應用[3]。

??? 在開關電路的S兩端并聯RC〔如圖2(a)所示〕或DRC〔如圖2(b)所示〕吸收電路，可吸收S接通和斷開瞬間產生的較高的浪涌尖峰電壓，降低開關電路產生的電磁騷擾。

（a）??? RC緩沖電路??? （b）??? DRC緩沖電路

圖2??? 緩沖電路

2.4??? 一次整流電路中加功率因數校正(PFC）網絡

??? 對一次整流電路來講，最顯著的騷擾是整流電路作為諧波源對交流電網的騷擾，導致交流電網的波形畸變，功率因數偏低。為解決這個問題，可在一次整流電路加入現成的功率因數校正(PFC——Power Factor Correction）模塊，通過補償可把功率因數提高到0.99以上。

2.5??? 增加濾波網絡

??? 濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對付開關電源的傳導干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。電磁干擾（EMI）濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標的濾波器，可分為信號線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等。

2.6??? 接地

2.6.1??? 接地的作用

??? 電子設備一般有兩種接地，一種是安全接地，即將機殼接地，以保護工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統提供一個基準電位，同時也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會增加干擾，比如共地線干擾，地環路干擾等。

2.6.2??? 接地的種類及接地要求

??? 1）單點接地工作接地按工作頻率采用不同的接地方式，工作頻率<1MHz時采用單點接地，地線的長度（L/m）與截面積（S/mm²）的關系為S>0.83L。

??? 2）多點接地工作頻率>30MHz時采用多點接地。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

??? 3）浮地浮地是電路的地與大地無導體連接。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現電路或設備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優點是該電路不受大地電性能的影響，抗干擾性能好。其缺點是由于設備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環性很強的騷擾源。

??? 4）屏蔽地電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內的電路地線只能一點接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導體。

??? 5）電纜的屏蔽層地對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應在一點接地，各屏蔽層應相互絕緣。當電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用間隔工作信號波長的0.15倍的多點接地式，如果不能實現，則至少應將屏蔽層兩端接地。

2.7??? 電路元器件安裝要合理

??? 電路元器件安裝上應使輸入交流和輸出直流插座分開并遠離。布線嚴格分開,簡化電流通路的途徑,減少相互交叉干擾,同時使輸入、輸出布線遠離靜電場和電磁場噪聲產生源。另外,凡是含有大的電流、電壓變化率的器件(功率晶體管和開關二極管等)的電路應合理布局。盡可能縮短具有高的di/dt、dv/dt的布線,減小噪聲輻射源的有效區域。功率晶體管和開關二極管與散熱器組裝在一起時,用銅板屏蔽晶體管,以減小由于寄生電容引起的噪聲傳播。

3??? 結語

??? 抑制開關電源的騷擾是開發應用開關電源的一個重要課題，因此，在減少和抑制EMD方面，除了上述抗干擾的措施和方法外，還要充分有效地利用了先進的半導體設計技術、磁性材料、電感元件技術、開關器件技術，如移相式全橋ZVS－PWM技術；零電壓過渡（ZVT）和零電流過渡（ZCT）的PWM技術；功率因數校正控制技術等。實踐證明，這些措施和方法對減小開關電路的騷擾具有明顯的效果。