开关电源电磁骚扰的抑制

开关电源电磁骚扰的抑制

0    前言

    随着现代科学技术的发展，开关电源被广泛应用于各种电子设备或系统之中。开关电源性能的好坏，直接影响设备或系统的正常运行。开关电路是开关电源的核心，开关电路在高频下的通、断过程产生大幅度的电压跳变，即产生的dv/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是开关电源电磁骚扰的主要因素。抑制开关电路的电磁骚扰已成为提高开关电源性能的主要途经。

1    开关电路电磁骚扰（EMD）的产生及传播途径

    开关电源主要由一次整流电路、开关电路、二次整流电路、反馈触发控制电路组成。开关电路是开关电源的核心，主要由功率开关管S和高频变压器(L₁及L₂)组成，如图1所示。

图1    典型开关电源结构原理及共模、差模干扰的传播路径

1.1    开关电路产生电磁骚扰的原因

    功率开关管S的负载为高频变压器初级线圈L₁，是感性负载。在S导通瞬间，L₁产生很大的涌流，并在其两端出现较高的浪涌尖峰电压；在S断开瞬间，由于L₁的漏磁通，致使一部分能量没有从L₁传输到二次线圈L₂，储藏在漏感中的这部分能量将和漏极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，这种电压会产生与L₁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，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管及该电路中其它元器件。

    L₁，S和滤波电容C₁构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容C₁滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。

1.2    电磁骚扰的传播途经

    开关电源中的电磁骚扰对外表现为传导干扰和辐射干扰。传导干扰可分为共模（Common Mode——CM）干扰和差模（Differential Mode——DM）干扰。由于开关电路寄生参数的存在以及开关器件的高频开通与关断，使得开关电源在其输入端（即交流电网侧）产生较大的共模干扰和差模干扰[2]。

    共模干扰的特点是干扰的大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模干扰也称为纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。是载流体与大地之间的干扰。

    开关电路在高频情况下，由于dv/dt很高，激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容，从而产生了共模干扰。如图1中的虚线所示，共模干扰电流从具有高dv/dt的开关管S出发经过分布电容C_i流经接地散热片和地线，再由高频LISN网络（由两个50Ω电阻等效）流回输入线路。

    差模干扰的特点是大小相等，方向相反，存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。是施加于载流体之间的干扰。

    开关电路中的电流在高频情况下作开关变化，从而在输入、输出的滤波电容上产生很高的di/dt，即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应了干扰电压。这时就会产生差模干扰，如图1中的实线所示。故选用高质量的滤波电容（等效电感或阻抗很低）可以降低差模干扰。

    共模干扰说明干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的，而差模干扰则说明干扰源于同一条电源电路的。通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会相互转化，情况十分复杂。

2    开关电路电磁骚扰的抑制

2.1    选择合适的开关电源电路拓扑及工作频率

    开关电源的工作频率与其产生的骚扰强度密切相关。低的开关电源工作频率不但可以减少骚扰的高频分量，其传导骚扰和辐射骚扰的传播效率也会大大降低。

2.2    选择合适的电路元器件

    在开关电路中，开关管是核心，不同品牌的开关管辐射骚扰相差可达15～20dB。开关电路中另一关键部件是脉冲变压器，脉冲变压器对电磁兼容的影响表现在两个方面：一个是初级线圈与次级线圈的分布电容C_d，一个是脉冲变压器的漏磁。通过在初级线圈与次级线圈间加静电屏蔽层并引出接地，该接地线尽量靠近开关管的发射极接直流输入的0V地(热地)，这样可以大大减小分布电容C_d，从而减少了初、次级的电场的耦合骚扰。为了减小脉冲变压器的漏磁，可以选择封闭磁芯(如环形)，封闭磁芯比开口磁芯的漏磁小。还可以通过在脉冲变压器外包高磁导率的屏蔽材料抑制滑磁。从而减小了通过漏磁辐射的骚扰。

2.3    增加无源缓冲电路

    缓冲电路不仅可以抑制开通时的di/dt、限制关断时的dv/dt，还具有电路简单、成本较低的特点，因而得到了广泛应用[3]。

    在开关电路的S两端并联RC〔如图2(a)所示〕或DRC〔如图2(b)所示〕吸收电路，可吸收S接通和断开瞬间产生的较高的浪涌尖峰电压，降低开关电路产生的电磁骚扰。

（a）    RC缓冲电路    （b）    DRC缓冲电路

图2    缓冲电路

2.4    一次整流电路中加功率因数校正(PFC）网络

    对一次整流电路来讲，最显著的骚扰是整流电路作为谐波源对交流电网的骚扰，导致交流电网的波形畸变，功率因数偏低。为解决这个问题，可在一次整流电路加入现成的功率因数校正(PFC——Power Factor Correction）模块，通过补偿可把功率因数提高到0.99以上。

2.5    增加滤波网络

    滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。电磁干扰（EMI）滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器，可分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等。

2.6    接地

2.6.1    接地的作用

    电子设备一般有两种接地，一种是安全接地，即将机壳接地，以保护工作人员的安全；另一种是工作接地，给电路系统提供一个基准电位，同时也可将高频干扰引走。但是，不正确的工作接地反而会增加干扰，比如共地线干扰，地环路干扰等。

2.6.2    接地的种类及接地要求

    1）单点接地工作接地按工作频率采用不同的接地方式，工作频率<1MHz时采用单点接地，地线的长度（L/m）与截面积（S/mm²）的关系为S>0.83L。

    2）多点接地工作频率>30MHz时采用多点接地。工作频率在上述两者之间的可采用混合接地式。

    3）浮地浮地是电路的地与大地无导体连接。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。浮地的最大优点是该电路不受大地电性能的影响，抗干扰性能好。其缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈的静电放电，而成为破环性很强的骚扰源。

    4）屏蔽地电路的屏蔽体，即用屏蔽材料将电磁辐射源屏蔽起来，并将屏蔽体接地，以降低电磁辐射的干扰。屏蔽体内的电路地线只能一点接屏蔽体，而不得利用屏蔽体作返回导体。

    5）电缆的屏蔽层地对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用间隔工作信号波长的0.15倍的多点接地式，如果不能实现，则至少应将屏蔽层两端接地。

2.7    电路元器件安装要合理

    电路元器件安装上应使输入交流和输出直流插座分开并远离。布线严格分开,简化电流通路的途径,减少相互交叉干扰,同时使输入、输出布线远离静电场和电磁场噪声产生源。另外,凡是含有大的电流、电压变化率的器件(功率晶体管和开关二极管等)的电路应合理布局。尽可能缩短具有高的di/dt、dv/dt的布线,减小噪声辐射源的有效区域。功率晶体管和开关二极管与散热器组装在一起时,用铜板屏蔽晶体管,以减小由于寄生电容引起的噪声传播。

3    结语

    抑制开关电源的骚扰是开发应用开关电源的一个重要课题，因此，在减少和抑制EMD方面，除了上述抗干扰的措施和方法外，还要充分有效地利用了先进的半导体设计技术、磁性材料、电感元件技术、开关器件技术，如移相式全桥ZVS－PWM技术；零电压过渡（ZVT）和零电流过渡（ZCT）的PWM技术；功率因数校正控制技术等。实践证明，这些措施和方法对减小开关电路的骚扰具有明显的效果。