胡錦毅

摘 要：開關(guān)電源的發(fā)展趨勢正呈現(xiàn)出小型化、高頻化的態(tài)勢，它的電磁兼容性在工作中顯現(xiàn)出關(guān)鍵性的地位，由于開關(guān)電源在工作過程中，存在嚴(yán)重的電磁干擾，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定程度的污染，而且不利于電氣設(shè)備的穩(wěn)定安全使用。因而，需要開展開關(guān)電源電磁抗干擾的研究，要采用適宜、科學(xué)、合理的抑制技術(shù)，有效地防范電磁干擾，保持電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定、可靠運行，全面保障電網(wǎng)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、高效。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁干擾；抑制；技術(shù)

開關(guān)電源由于其實用性，廣泛運用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，在大功率高電壓的電氣設(shè)備之中，開關(guān)電源會受到難以避免的電磁干擾，在開關(guān)頻率加大或功率密度提高的條件下，電磁的兼容性能需要加以密切的關(guān)注，也是需要切實解決的問題，本文從電子線路電磁干擾的特點入手，探討高頻開關(guān)電源電磁干擾的機理及抑制技術(shù)，對于開關(guān)電源的電磁兼容性進行測量，提供了干擾源的干擾量、傳輸特性及敏感度等依據(jù)，從而提高開關(guān)電源的使用效率和質(zhì)量。

1 高頻開關(guān)電源的概念及特點

電磁干擾即是電磁的兼容性不足，對電子設(shè)備之間的電磁輻射傳導(dǎo)加以破壞的進程。開關(guān)電源在小型化、高頻化發(fā)展的趨勢中，自身的噪聲源也會產(chǎn)生大量的傳導(dǎo)性電磁干擾，即EMI，從而對電子系統(tǒng)造成不良效果。由于大量的電器設(shè)備如：計算機、通信產(chǎn)品、電器等的涌入，空間人為電磁能量以成倍的速度遞增，電磁環(huán)境的惡化態(tài)勢正顯現(xiàn)出嚴(yán)重的問題。開關(guān)電源的電磁干擾是一種有害的電磁效應(yīng)，它必須具備三個干擾要素，即：干擾源、敏感體、干擾耦合路徑。它具有以下特點：

①開關(guān)電源在頻繁的開關(guān)過程中，會產(chǎn)生較大的電流變化，從而不可避免地產(chǎn)生強大的干擾強度。

②開關(guān)電源干擾源的關(guān)鍵干擾裝置表現(xiàn)在功率的開關(guān)器件、散熱器、高頻變壓器之中，具有較為清晰的電路干擾位置。

③開關(guān)電源的干擾頻率不高，主要表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和近距離電場干擾。

④由于線路板通常是人工布設(shè)，隨意性較大，對于線路板分布參數(shù)的提取和評估，增加了難度，同時，人工布設(shè)不當(dāng)也是產(chǎn)生電磁干擾源的一個原因。

⑤開關(guān)電源的電磁干擾與網(wǎng)側(cè)阻抗不匹配，呈現(xiàn)變化的趨勢，難以把握。而且，濾波器中的電器元件要在使用中承受較大的無功功率，就無疑增加了電源體積，降低了效率。

2 開關(guān)電源的工作原理及電磁干擾機理分析

2.1 開關(guān)電源的構(gòu)造及工作原理

開關(guān)電源的構(gòu)造由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源構(gòu)成，其中：主電路包括輸入濾波器、整流器、逆變等；控制電路則是通過對輸出端的數(shù)據(jù)的取樣，在比較之下控制逆變器，從而改變輸出頻率或脈寬，實現(xiàn)電路穩(wěn)定。檢測電路重點提供保護電路中的參數(shù)，還顯示各種儀表數(shù)據(jù)。輔助電源則負(fù)責(zé)提供單一電路的不同電源。

開關(guān)電源控制的工作原理，如下圖1所示：

在圖1中，K開關(guān)負(fù)責(zé)無定時的接通或斷開，在K開關(guān)接通時，E電源向開關(guān)K和濾波電路提供負(fù)載RL及能量；在K開關(guān)斷開時，E電源中止提供能量。由此可知，電源提供的負(fù)載和能量是無定時的、間斷的狀態(tài)，而為了使開關(guān)獲取穩(wěn)定連續(xù)的能量供給，需要配備儲能裝置，即在能量接通時負(fù)責(zé)實現(xiàn)對能量的儲存，在開關(guān)斷開時，負(fù)責(zé)釋放儲存的能量，這個裝置由圖中的電感L、電容C2、二極管D構(gòu)成，這個電路具有上述功能?？梢詫D中AB之間的電壓平均值用EAB表示，用以下公式加以計算和控制：

E=TT·E

上式中：Ton表示每次接通開關(guān)的時間；T表示開關(guān)通斷的周期間隔。在這兩個要素變化的條件下，AB之間的電壓平均值也會改變，這種改變控制稱為“時間比率控制”。開關(guān)電源控制原理，主要表現(xiàn)為三種方式：脈沖寬度調(diào)制；脈沖頻率調(diào)制；混合調(diào)制。

2.2 電磁干擾的產(chǎn)生機理分析

開關(guān)電源的電磁干擾是存在電路之中的無用信號、噪聲等，它們對于電氣設(shè)備、通道產(chǎn)生的干擾，開關(guān)電源自身存在有大量的諧波干擾，同時還有潛在的電磁干擾，并集中顯現(xiàn)于電壓、電流變化較大的電氣元器件之中。電磁干擾產(chǎn)生的機理主要有以下幾點：

①開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成的開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，具有較大幅度的脈沖，諧波豐富，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾主要是由于開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，在開關(guān)管接通與斷開的瞬間，會出現(xiàn)較大的電壓尖峰，產(chǎn)生磁化沖擊電流的瞬變，這就造成了屬于傳導(dǎo)性質(zhì)的電磁干擾。

②整流電路造成的電磁干擾。整流電路的整流二極管在接通狀態(tài)時，有較大的正向電流，然而當(dāng)其終斷時受反的電壓影響，而產(chǎn)生一個反向電流，還包含較多的高頻諧波分量，產(chǎn)生劇烈的電流變化。

③高頻變壓器產(chǎn)生的電磁干擾。在高頻開關(guān)電源構(gòu)成中，變壓器初級線圈、開關(guān)管和濾波電容，會形成高頻開關(guān)電流環(huán)路，在這個環(huán)路之內(nèi)有極大的空間輻射，若電容濾波性能不好或容量不足，電容上的高頻阻抗就會將高頻電流傳導(dǎo)到交流電源中，造成傳導(dǎo)干擾。同時，值得一提的是，整流電路造成的干擾強度較大、頻帶較寬，是較為重要的電磁干擾源之一。

④分布電容生成的電磁干擾。由于開關(guān)電源正向高頻發(fā)展，因而分布電容也是電磁干擾源之一，由于散熱片和開關(guān)管的集電極之間的絕緣片接觸面積大而薄，高頻電流會由分布電容流過，產(chǎn)生共模干擾。

3 開關(guān)電源電磁干擾的抑制技術(shù)舉措分析

對于開關(guān)電源電磁干擾的抑制技術(shù)，主要可以從三個途徑著手：其一，減少電磁干擾源的干擾信號；其二，截斷電磁干擾信號路徑；其三，提高電磁干擾敏感體的抗干擾性能。下面，本文可以就抑制開關(guān)電源電磁干擾的技術(shù)進行分述：

3.1 軟開關(guān)抑制技術(shù)

軟開關(guān)抑制技術(shù)基于“硬”開關(guān)基礎(chǔ)之上，它是利用諧振技術(shù)或控制技術(shù)，連通或截斷零電流狀態(tài)下的先進技術(shù)。它在小型化、輕量化、電磁兼容性高的發(fā)展特點之下，有效地降低了開關(guān)損耗和噪聲，提高了開關(guān)電源的使用頻率。

軟開關(guān)與“硬”開關(guān)的區(qū)別在于：“硬”開關(guān)在開關(guān)過程中的電壓和電流都不為零，有重疊的狀況；而且電壓、電流的變化較大，脈沖較為明顯，產(chǎn)生較大的開關(guān)噪聲。而軟開關(guān)由于增添了電感、電容等諧振元件，減少了電壓、電流的重疊，有效降低了開關(guān)噪聲。

軟開關(guān)技術(shù)中包括多種技術(shù)，如：諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器。其中：諧振變換器是基于標(biāo)準(zhǔn)PWM變換器之上，附加諧振網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)零電壓或零電流的開關(guān)。準(zhǔn)諧振變換器則是在PWM開關(guān)上附加諧振元件的控制技術(shù)。零開關(guān)PWM變換器是先利用諧振實現(xiàn)換相，再運用PWM方式工作。零轉(zhuǎn)換PWM變換器是并聯(lián)一個諧振網(wǎng)絡(luò)，由此而產(chǎn)生零開關(guān)條件，實現(xiàn)控制技術(shù)。但是，值得注意的是，軟開關(guān)技術(shù)要有輔助電路的添加實現(xiàn)，才能較好地實現(xiàn)對開關(guān)電源EMI的有效改善和優(yōu)化。

3.2 開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

首先，要明晰頻率調(diào)制的概念，頻率調(diào)制是指瞬時頻率偏移跟隨調(diào)制信號m（t）成比例變化的調(diào)制，它可以用以下公式表示：

=Km（t）

其次，我們再分析開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用思想：固定頻率調(diào)制脈沖在低頻段上產(chǎn)生電磁干擾，并集中于低頻段的各個諧波點之上，它通過調(diào)制開關(guān)頻率fc，將集中的能量加以分散，從而有效降低各個諧波點上的EMI值，它關(guān)注的是使分散的各頻點都在EMI的限值之內(nèi)，而并非降低電磁干擾的總量。鑒于這一應(yīng)用思想，開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)在降低噪聲頻譜峰值的過程中，采用隨機頻率控制法和調(diào)制頻率控制法。

其中：隨機頻率控制法是在開關(guān)電源間隔之中加入隨機擾動分量，分散各頻點的噪聲能量，使離散的尖峰脈沖噪聲轉(zhuǎn)化為連續(xù)、分散的各頻點噪聲，從而降低峰值。調(diào)制頻率控制法則是在電路產(chǎn)生的鋸齒波中加入調(diào)制波形，生成離散頻段的邊頻帶，使噪聲能量分散到這些邊頻帶之上，這樣，就可以在不影響變換器工作的前提下，抑制開關(guān)的通斷時的電磁干擾。

3.3 共模電磁干擾的有源抑制技術(shù)

共模干擾也稱不對稱干擾、接地干擾，它是電流的載體與大地之間的電磁干擾，有源抑制技術(shù)的應(yīng)用思想主要是在主回路中提取與導(dǎo)致干擾的開關(guān)電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓，在保證開關(guān)電源正常工作的前提下，消除較寬頻段內(nèi)的共模干擾。這一抑制技術(shù)是作用于電磁干擾源本身，是非常有效的共模電磁干擾抑制技術(shù)。

3.4 抑制電磁干擾的緩沖電路設(shè)計

對于緩沖電路設(shè)計的開關(guān)電源可以消除電力線內(nèi)潛在的電磁干擾，對于阻抗和消除電快速瞬變、電涌、電壓高低變化、電力線諧波等，可以起到較重要的作用。試?yán)?0kHz開關(guān)控制電源的構(gòu)造圖為：（圖2）

其中：開關(guān)元件在有外來電壓變化時，產(chǎn)生較多的諧波成分而導(dǎo)致其波形失真，圖中的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)可以有效地抑制共模干擾，在其對稱結(jié)構(gòu)和適宜的去耦處理與設(shè)計下加以解決。整流濾波電路由整流電路和大電容構(gòu)成，它可以產(chǎn)生高頻的矩形脈沖，并可以促進穩(wěn)壓反饋作用，穩(wěn)定輸出的電壓。場效應(yīng)管開關(guān)主電路是核心電路，設(shè)計之中添加了一個緩沖電路來抑制EMI，它主要采用靈敏接地的方法解決共模輻射的問題。

3.5 濾波抑制技術(shù)

這是一種常用而高效的高頻開關(guān)電源電磁干擾抑制技術(shù)，它的應(yīng)用原理為：在高頻開關(guān)電源的輸入輸出端口，接上濾波器，阻抗開關(guān)電源在電網(wǎng)中的干擾信號，其干擾信號主要是傳導(dǎo)干擾，并表現(xiàn)為共模干擾和“差?！备蓴_兩種形式，其中：共模干擾是非對稱性的干擾，它是干擾信號對地的電位差以及電網(wǎng)串連的噪聲，具有幅度大、頻率高、干擾性能較大的特性；“差?！备蓴_是對稱性干擾，它是電磁場在信號間耦合感應(yīng)以及不平衡電路轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的電壓，它在添加抗干擾濾波器的條件下，可以有效地抑制干擾信號?！安钅！备蓴_具有幅度小、頻率低、干擾較小的特性。

3.6 PCB抑制技術(shù)

PCB抗干擾抑制技術(shù)的目的是為了減小PCB的電磁輻射，解決PCB電路之間的串?dāng)_現(xiàn)象。它包括布局、布線及接地設(shè)計，其布局設(shè)計與電氣設(shè)計類似，設(shè)計流程為：首先考慮PCB的尺寸和形狀，要保持最佳電路板的矩形形狀，即長寬比為3：2或4：3，使其可以承受一定的機械強度；然后，再確定特殊元器件的位置設(shè)計。由于發(fā)生器、“晶振”易產(chǎn)生干擾噪聲，因而在設(shè)計時的位置要相互靠近；最后，再根據(jù)電路的功能單元進行整體布局，要考慮元器件的分布參數(shù)，確保均勻、整齊而緊湊，盡量減少元器件之間的引線和連接，還要選取不易產(chǎn)生噪聲的、不易傳導(dǎo)的、不易輻射噪聲的元器件。

3.7 屏蔽抗干擾抑制技術(shù)

由于開關(guān)電源會在傳播空間產(chǎn)生電場和磁場，因而，可以考慮采用屏蔽的措施，將電磁干擾源和受干擾物之間隔離一層與地相連的屏蔽片，這種屏蔽技術(shù)可以采用兩種方式，其一是靜電屏蔽，用于阻抗“靜電”場和恒定磁場的干擾；其二是電磁屏蔽，用于阻抗交變電場、磁場的干擾，這樣，就可以使電磁波產(chǎn)生衰減，減少對電氣設(shè)備的干擾影響。

總而言之，高頻的開關(guān)電源會在信號傳輸過程中產(chǎn)生電磁干擾，不利于電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，因而，需要采用適宜的開關(guān)電源電磁干擾抑制技術(shù)，使電磁干擾得到有效的衰減，保障電氣設(shè)備穩(wěn)定、高效。

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