劉杰 宋運(yùn)昌

摘要：近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)關(guān)電源以追求高效率、低容量、高頻率的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅具有適應(yīng)性好、功率增大、頻率可變的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且技術(shù)發(fā)展迅速。本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源本身的電磁干擾及抑制對(duì)策進(jìn)行分析和研究，促進(jìn)我國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;電磁干擾; EMI; 抑制

一、開(kāi)關(guān)電源管的工作電動(dòng)機(jī)理和開(kāi)關(guān)電磁干擾工作原理

（一）開(kāi)關(guān)電源的工作機(jī)理

開(kāi)關(guān)電源在大多數(shù)產(chǎn)品中的主要功能是為了保證整個(gè)設(shè)備的正常工作運(yùn)行提供電源。主要由以下部分功能組成：第一是輸入電源處理（整流、保護(hù)、濾波等）電路;第二是控制電路（IC控制等）;第三是能量轉(zhuǎn)換（變壓器等）電路;第四是輸出反饋處理回路;第五是輸出電壓處理回路（穩(wěn)壓、儲(chǔ)能、濾波等）。另外輸入電壓經(jīng)過(guò)整流前也會(huì)有浪涌、穩(wěn)壓等前期濾波回路，整流后也會(huì)經(jīng)過(guò)X電容、共模電感、Y電容、母線電容等濾波回路，這些回路可以有效防止本身可能產(chǎn)生的電磁干擾從而影響整個(gè)主線路電網(wǎng);控制回路主要是選擇不同的PWM IC芯片，根據(jù)IC的不同進(jìn)行不同的控制配置;能力轉(zhuǎn)換只要是變壓器及周邊回路，如吸收回路，開(kāi)關(guān)的MOS管等;輸出反饋是對(duì)輸出電壓或電流的檢測(cè)，并進(jìn)行調(diào)整回路;輸出的電壓由于存在一些噪音或者根據(jù)后面使用的用途進(jìn)行濾波、儲(chǔ)能、或者保護(hù)等設(shè)計(jì);

（二）電磁干擾的產(chǎn)生及其原理

開(kāi)關(guān)電源本身在工作時(shí)以及電子設(shè)備處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)時(shí)，都會(huì)在電源設(shè)備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲，產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾，也會(huì)進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設(shè)備，所以必須采取有效措施加以抑制。在開(kāi)關(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的DV/DT和DI/DT，因而電磁發(fā)射EME（Electromagnetic Emission）通常是寬帶的噪聲信號(hào)，其頻率范圍從開(kāi)關(guān)工作頻率到幾MHz。開(kāi)關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開(kāi)關(guān)電源的干擾主要來(lái)自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。設(shè)計(jì)EMI濾波器，就是要對(duì)開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的電磁干擾衰減至合理范圍內(nèi)即可。

二、開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾新技術(shù)趨勢(shì)分析

這些電磁干擾噪聲，通過(guò)輻射和傳導(dǎo)耦合的方式，會(huì)影響在此環(huán)境中運(yùn)行的各種電子設(shè)備的正常工作。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，我們可以利用先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)以及開(kāi)關(guān)器件技術(shù)等來(lái)有效地減少和抑制EMI信號(hào)干擾。以下是通過(guò)傳統(tǒng)的抑制方法和幾個(gè)新的熱門(mén)方法進(jìn)行說(shuō)明。

傳統(tǒng)的抑制方法可以總結(jié)如下：

①減小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、減緩其斜率，）;

②壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓;

③阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過(guò)沖

④采用軟恢復(fù)特性的二極管，以降低高頻段EMI

⑤有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)

⑥采用合理設(shè)計(jì)的電源線濾波器

⑦合理的接地處理

⑧有效的屏蔽措施

⑨合理的PCB設(shè)計(jì)等

新的控制方法—（一）調(diào)制頻率（Modulated Frepuecy）控制電磁干擾是根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率周期變化的，干擾能量集中在離散的開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)上，很難滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。如果把開(kāi)關(guān)信號(hào)的能量調(diào)制分布在一個(gè)很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列分立邊頻帶，則可以將干擾頻譜展開(kāi)，使干擾能量分布在各個(gè)頻段上，這樣更容易達(dá)到EMI標(biāo)準(zhǔn)。頻率調(diào)制方法就是根據(jù)這種原理實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制。最初人們采用隨機(jī)頻率控制，其主要思想是：在控制回路中加入一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開(kāi)關(guān)間隔（占空比D）進(jìn)行不規(guī)則變化。則開(kāi)關(guān)噪聲頻譜由原來(lái)離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲，其峰值大大下降。

（二）新的無(wú)源緩沖電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)變換器中主要的電磁干擾是在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)刻產(chǎn)生的。以整流二極管為例，在開(kāi)通時(shí)，其反向恢復(fù)電流不僅引起大量的開(kāi)通損耗，還產(chǎn)生很大的di/dt。導(dǎo)致電磁干擾;在關(guān)斷時(shí)，其兩端的電壓快速升高，有很大的dv/dt，從而產(chǎn)生電磁干擾。緩沖電路不僅可抑制開(kāi)通時(shí)di/dt變化率、限制關(guān)斷時(shí)dv/dt的變化，還具有電路簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

（三）無(wú)源補(bǔ)償技術(shù)

應(yīng)用無(wú)源補(bǔ)償技術(shù)，則可以在不影響主電路工作的情況下較好地抑制電路的共模干擾，并可減少LCM、節(jié)省成本。 由于共模干擾是由開(kāi)關(guān)器件的寄生電容在高頻時(shí)的di/dt產(chǎn)生的，因此，用一個(gè)額外的變壓器繞組在補(bǔ)償電容上產(chǎn)生一個(gè)180°的反向電壓，產(chǎn)生的補(bǔ)償電流再與寄生電容上的干擾電流迭加，從而消除干擾。這就是無(wú)源補(bǔ)償?shù)脑怼?/p>

（四）濾波和去耦

濾波是將交流電源整流后的交流分量抑制掉。濾波后，直流電源中的紋波對(duì)電子電路各級(jí)的影響是不同的。因此需要對(duì)敏感部分或源加去耦合電路，去耦電路就是一個(gè)RC電容濾波電路，見(jiàn)圖2。

合理布置電源的供電走線，將流有大電流的走線和輸入級(jí)的供電線分開(kāi)，供電線成網(wǎng)狀分布，以降低印制電路板的銅箔電阻。

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域普遍認(rèn)同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。簡(jiǎn)言之，EMI濾波設(shè)計(jì)可以理解為要滿足以下要求：

1）規(guī)定要求的阻帶頻率和阻帶衰減;（滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減）;

2）對(duì)電網(wǎng)頻率低衰減（滿足規(guī)定的通帶頻率和通帶低衰減）;

3）低成本。

（五）合理接地和抑制從變壓器串入的干擾

合理接地十分重要，它可以基本消除電流流過(guò)地線形成的耦合。通過(guò)地線的耦合示意圖見(jiàn)圖3。采用一點(diǎn)接地可有效消除之間通過(guò)地線的不良耦合。

一點(diǎn)接地就是將電子電路各級(jí)的接地點(diǎn)接在一點(diǎn)，特別要注意噪音源地線與退耦電容的接地點(diǎn)要盡可能地接在一點(diǎn)。

功率器件開(kāi)關(guān)干擾，特別是高頻干擾，可通過(guò)變壓器進(jìn)入線或PCB中。抑制這種干擾的方法是給變壓器原副繞組之間加屏蔽層，加輸入低通濾波器。這些技術(shù)措施如圖4所示。

四、結(jié)語(yǔ)

本文從多個(gè)不同方面詳細(xì)闡述了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工作中可能產(chǎn)生線路電磁波的主要原因及解決對(duì)策。全面深入分析各種影響開(kāi)關(guān)能源電網(wǎng)備用電源運(yùn)行穩(wěn)定性的各種因素，充分考慮結(jié)合不同電路技術(shù)要求制定開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)解決方案，有效率地控制和完全消除線路電磁干擾對(duì)開(kāi)關(guān)電網(wǎng)的各種負(fù)面影響。

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