开关电源的电磁干扰及抑制技术

阎国健

承德市恒信电气工程有限公司河北省067000

摘要：开关电源是一种采用电力电子器件，利用电路开关的快速通断控制实现电能转换的新型电源。与传统的线性电源相比，开关电源具有效率高、功率密度高、动态响应快及输出精度高等优点。

关键词：开关电源

的电磁干扰抑制技术

文献标识码：A

中图分类号：TL62+9前言

开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置，具有功耗低、效率高、体积小等显著优点，主要应用在计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统安全性和可靠性的高低。

一、开关电源电磁干扰的产生机理1二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di／dt)。

2开关管工作时产生的谐波干扰

一般情况下，功率开关管在导通时，都会流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

3交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入

输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

4其他原因

元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分(DC／DC部分)；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个PCB上。前者在多数情况下都是干扰源；后者则属于弱电部分，是敏感设备。PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，因而增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度，因而控制模块可能会受到干扰而不能正常工作。

5开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高(从几十千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

二、开关电源工作时的噪声源及抑制1

开关电源工作时的噪声源

产生噪声的来源很多,如外来干扰、机械振动、电路设计不当、元件选择不当以及结构布局

或布线不合理造成的电源噪声增大等。在开关稳压器中,功率三极管和二极管在开-关翻转过程中所产生的射频能量已成为噪声的主要来源之一。由于频率较高,它以电磁能的形式直接向空间辐射,或以干扰电流的形式沿着输入、输出端的导线传送。开关电源工作时所产生的高次谐波窜入公用电网,对使用公用电源的其他电子设备产生干扰,同时其本身也受到来自公用电网及空间的EMI信号的干扰。

2

噪声源的抑制

（1）采用无源滤波器

抑制高次谐波电流噪声最简单的方法是在电源的输入部分附加扼流圈。这种方式的优点是增加元件数量少、可靠性高且成本低廉,但因附加扼流圈而使体积增大。对EMI信号的抑制可用EMI滤波器。EMI滤波器包括电源EMI滤波器、信号线EMI滤波器、损耗线EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器等。它是由正态电感器和共模电感器组合而成的。前半部是正态电感器,其作用是抑制高次谐波;后半部是由共模电感器和电容构成的EMI滤波器,抑制EMI信号。共模电感器L1、L2是绕在磁环上的两只线圈,线圈匝数相同,绕向相反,致使滤波器接入电路后,两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消,不会使磁环达到磁饱和状态,从而使两只线圈的电感值保持不变。磁环的另一个作用是对有用信号(基带信号)相当于短路不产生任何影响,专门吸收调频干扰信号能量,可提高抗干扰能力和静电放电(ESD)干扰能力。但是,由于种种原因,如磁环的材料不可能做到绝对均匀,两只线圈的绕组也不可能完全对称,使L1、L2的电感量不相等,于是L1、L2之间存在电感量差值,称之为差模电感。共模线圈和Cx组成L-N端口间的一只低通滤波器,用来抑制电源上存在的差模信号。如果在相线和中线的共模干扰电平不相等,在Cx电容器上就会出现共模电流,在Cx电容上引起共模压降,进一步降低共模干扰电平。

（2）采用有源滤波器

采用有源滤波器能使用较小容量的滤波电容来达到较好的滤波效果。图2所示电路是一种有源滤波器电路。它是利用晶体管的电流放大作用,通过把发射极的电流折合到基极,在基极回路来滤波。R1、C2组成的滤波器使基极纹波很小,这样射极纹波也很小。由于C2的容量小于C3,减少了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。

（3）采用双变换器方式

在开关电源中采用双变换器方式进行高次谐波抑制是目前常用的方法。所谓双变换器方式,利用前级的升(降)压斩波器,在输入电流波形正弦波化后,由PFC电路对其功率因素进行改善控制,同时利用后级的DC-DC变换器进行输出稳定化控制。实质上,变换器起到有源滤波器的作用。这种方式尤其适合高压大功率电源的情况。

（4）采用零电压开关、零电流开关电路

采用零电压、零电流开关技术可以使高次谐波抑制和EMI信号抑制能力得到很大的提高。开关电源在开关工作时,由于储能元件的储存及释放电能是造成电磁干扰的关键原因,因此,如果能实现开关电源在零电压、零电流时进行转换,就可以有效地抑制干扰。零电压、零电流开关技术是目前抑制开关电源干扰的一种最新技术。它分为软开关启动技术和串联谐振变换技术。

软开关启动技术:开关电源的输入通常是由交流电网供电,经整流滤波产生输出。由于电压高、电容量较大,在电源合闸瞬间将产生很大的充电电流,其最大峰值电流可达稳定值的几十倍。这种冲击电流后果会给输入电网造成很高幅度的尖峰干扰。软启动技术是在输入回路中接入限流电阻,待启动完成后再将串接电阻短路。

串联谐振变换技术:由于开关电源通常采用PWM(脉冲宽度调制)方式,这种方式的主要问题是元件进行接通和断开时,会产生电磁干扰、浪涌电压及开关损耗。所谓谐振方式是指在开关电路中设置由电感和电容构成的谐振电路,使电路的电压或者电流谐振,并当其电压或电流变为零时,使主电路开关接通或者断开。即当开关元件之间的电压为零时,施加接通信号,并使断开时的电压为零伏,即实现零电压开关,使开关的电流上升缓缓变化,实现零电流开关。采用集成电路UC18或UC1865便可实现零电压开关或零电流开关。

（5）其他技术

在开关电源中,抑制EMI信号和高次谐波的方式还有许多,如元件在电路板上的布放方法、尺寸、位置,采用简化电路程式;在变换器上设置第三绕组;简化PFC电路、减少开关器件数量;采用保护电路,当浪涌电压进入时,禁止大电流流过开关器件等。

结束语

随着现代电力电子技术的发展及半导体功率变换器件性能的不断提高，开关电源技术越来越成熟，价格也逐步接近传统的线性电源，其应用范围也日益广泛。

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开关电源的电磁干扰及抑制技术

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作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

阎国健

承德市恒信电气工程有限公司城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2013(29)

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