歐陽(yáng)昕，文同心，趙鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

環(huán)境適應(yīng)性和可靠性

開(kāi)關(guān)電源對(duì)設(shè)備EM I的影響及抑制方法

歐陽(yáng)昕，文同心，趙鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

隨著開(kāi)關(guān)電源在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由其導(dǎo)致的電磁發(fā)射問(wèn)題也越來(lái)越引起關(guān)注。本文以開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理為基礎(chǔ)，按其內(nèi)部的各部分電路組成分別分析了電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，并簡(jiǎn)要介紹了幾種抑制由開(kāi)關(guān)電源引起的電磁干擾的措施。

開(kāi)關(guān)電源；電磁發(fā)射；抑制

概述

隨著全球能源日益緊張，設(shè)備、產(chǎn)品的耗能問(wèn)題也越來(lái)越受重視，如何降低其待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個(gè)急待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著效率低（一般只有40%～50%）、體積大、銅鐵消耗量大、可調(diào)范圍小、發(fā)熱量大等缺點(diǎn)。為了提高效率，開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)運(yùn)而生，它的效率可達(dá)85%以上，并且穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn)，是一種較理想的穩(wěn)壓電源，隨著它的紋波系數(shù)等參數(shù)的進(jìn)一步改善，開(kāi)關(guān)電源已廣泛應(yīng)用于科研設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化控制、電力設(shè)備、通訊、照明等諸多領(lǐng)域。

開(kāi)關(guān)電源是利用電力電子器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過(guò)控制電路使電力電子器件不停地“開(kāi)”和“關(guān)”，來(lái)對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。它通常在20kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下工作，當(dāng)電力電子器件斷開(kāi)時(shí)，其兩端就會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓V（du/ dt），當(dāng)電力電子器件導(dǎo)通時(shí)其上將流過(guò)浪涌電流C（di/ dt），形成較強(qiáng)的電磁干擾源。隨著開(kāi)關(guān)電源模塊化發(fā)展，開(kāi)關(guān)頻率將提高到MHZ的數(shù)量級(jí)，電磁干擾更加嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)電源噪聲干擾為高頻振蕩噪聲和浪涌噪聲，其傳導(dǎo)模式表現(xiàn)為差模噪聲和共模噪聲，同時(shí)還向周?chē)臻g輻射噪聲。

1 開(kāi)關(guān)電源的工作原理

開(kāi)關(guān)電源大致由主電路、控制電路、檢測(cè)電路和輔助電源四大部分組成。圖1是開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理框圖。

交流電首先通過(guò)輸入濾波電路過(guò)濾電網(wǎng)中存在的雜波，該濾波電路同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的諧波回饋入電網(wǎng)，再經(jīng)整流橋?qū)⑦^(guò)濾后的交流電整流為較平滑的直流電，之后再通過(guò)高頻變換電路將整流后的直流電轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，這是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)輸出整流濾波電路變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。同時(shí)控制電路會(huì)從輸出端取樣，與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，去控制脈沖寬度調(diào)制器，改變其脈寬，即調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，另一方面，控制電路也根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，對(duì)電源提供各種保護(hù)措施。

2 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

開(kāi)關(guān)電源中電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致其產(chǎn)生電磁發(fā)射（EMI）的主要原因。開(kāi)關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面使得EMI問(wèn)題更為嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管的高頻導(dǎo)通與關(guān)斷，會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖電壓和浪涌電流，諧波頻率非常復(fù)雜，這些高頻的變化信號(hào)是主要的干擾源。下面結(jié)合原理圖分析幾個(gè)主要的干擾源。

2.1 輸入濾波整流電路產(chǎn)生的干擾

由（1）式可以看出，整流后的電壓并不是純凈的直流，而是包含了豐富的高次諧波分量，這些諧波分量將通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射，并且通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳播時(shí)，會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)而造成輻射發(fā)射。

圖1 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理框圖

同時(shí)，由于整流橋中的二極管正向?qū)〞r(shí)，大量載流子積累在PN結(jié)內(nèi)，而當(dāng)二極管加反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的載流子將急劇釋放而形成一個(gè)很大的電流變化（di/dt），這使得輸出電流成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流，會(huì)產(chǎn)生一定程度的電磁干擾。

2.2 高頻變換電路產(chǎn)生的干擾

高頻變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心也是主要的干擾源之一，這部分主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。

開(kāi)關(guān)管高頻的通、斷將導(dǎo)致電壓和電流的跳變。開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)，由于開(kāi)通時(shí)間很短以及逆變回路中寄生電感的耦合作用，將產(chǎn)生很大的du/dt突變和很高的浪涌電壓，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di/dt突變和很高的尖峰電流，這些浪涌電壓和尖峰電流會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

同時(shí)，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的兩端會(huì)出現(xiàn)浪涌電壓；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間，由于初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈不能完全耦合而導(dǎo)致初級(jí)線(xiàn)圈中的部分漏磁通和開(kāi)關(guān)管的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電壓上形成尖峰電壓，從而造成傳導(dǎo)干擾；另外線(xiàn)圈中流過(guò)的高頻脈沖電流會(huì)在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng)，從而造成輻射干擾。

2.3 其他原因產(chǎn)生的干擾

由振蕩器發(fā)出的周期性高頻脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。此外，由于開(kāi)關(guān)電源內(nèi)印制線(xiàn)路板的不合理走線(xiàn)而通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)間的耦合電容和分布電感產(chǎn)生串?dāng)_，以及地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾等。

3 對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾的抑制

目前，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電磁兼容測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)很多受試設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射超標(biāo)都是由于開(kāi)關(guān)電源引起的，如何消除它的影響呢？眾所周知形成電磁發(fā)射的三要素是騷擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備，因此，抑制電磁干擾應(yīng)從這三要素著手：首先抑制騷擾源，消除干擾的源頭；其次消除騷擾源和敏感設(shè)備間的耦合和輻射，切斷電磁騷擾的傳播途徑；最后應(yīng)提高電磁敏感設(shè)備的抗干擾能力。

3.1 抑制騷擾源

這里的騷擾源指的就是開(kāi)關(guān)電源。迄今為止，國(guó)家尚未出臺(tái)專(zhuān)門(mén)針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的EMC測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著國(guó)家對(duì)越來(lái)越多的電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，很多開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)商在測(cè)試規(guī)范中明確規(guī)定依據(jù)GB9254-2008來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試，包括傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測(cè)試。

而我們的設(shè)計(jì)者在為設(shè)備中用到的開(kāi)關(guān)電源選型時(shí)一般都關(guān)注的是輸入電壓、輸出電壓、額定功率、安裝尺寸及價(jià)格，很少關(guān)注其在電磁兼容方面的指標(biāo)，直至EMC測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題才重新評(píng)估。因此在選型時(shí)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的電磁兼容指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，選擇滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的合適產(chǎn)品。

除此之外，在電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，抑制開(kāi)關(guān)過(guò)程中的du/dt、di/dt，使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升，關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升。減小du/dt主要通過(guò)在開(kāi)關(guān)電源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，減小di/dt則是在開(kāi)關(guān)電源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 切斷耦合途徑

切斷耦合通道是目前抑制電磁干擾最常用的方法，基本的措施包括屏蔽、接地和濾波。

對(duì)于由開(kāi)關(guān)電源引起的輻射發(fā)射超標(biāo)一般都采用屏蔽的方法，用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率良好的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。必要時(shí)可以用一屏蔽罩將開(kāi)關(guān)電源罩住，但對(duì)金屬屏蔽罩的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)、出線(xiàn)處需做特別處理。

在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最好采用單點(diǎn)接地，因?yàn)槎帱c(diǎn)接地會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，磁力線(xiàn)穿過(guò)這些環(huán)路將產(chǎn)生電磁干擾。但單點(diǎn)接地實(shí)際很難做到，一般采用多點(diǎn)接地時(shí)可以利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，需要接地的各部分，包括開(kāi)關(guān)電源的地都就近接到該導(dǎo)電平面上。

對(duì)于電源線(xiàn)產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射可以使用濾波器濾除，一個(gè)有效的濾波器應(yīng)該對(duì)電源線(xiàn)上的差模和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。將濾波器裝在開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)、出線(xiàn)上能有效改善電路的濾波特性，此外，穿心電容、三端電容器和鐵氧體磁環(huán)等專(zhuān)用的濾波元件也常被使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理為基礎(chǔ)，按其內(nèi)部的各部分組成電路分別分析了開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，并有針對(duì)性的介紹了由開(kāi)關(guān)電源引起的電磁干擾的抑制措施。

由開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的因素還有很多，抑制電磁干擾還有大量的工作要做，只有全面抑制開(kāi)關(guān)電源的各種噪聲才能使設(shè)備能更加安全可靠地運(yùn)行。

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Impact on Equipment's EMIFrom the Inner Switching Power Supply and Suppression Methods

OU-YANG Xin, WEN Tong-Xin, ZHAO Ding-ding
（No.704 Research Institute of China Shipbuilding Indust ry Corporation, Shanghai 200031）

The EMI problems are attracting more and more attention along with the switching power supply widespread using. The generate mechanism of EMI from the switching power supply was deeply analyzed according to its composition based on its working theories. After that several improved methods were presented and proven to suppress that interference.

switching power supply; EMI; suppression

TN07

A

1004-7204（2014）03-0030-03

歐陽(yáng)昕（1986-），女，江西省吉安市，助理工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)殡姶偶嫒轀y(cè)試及整改。