公丕兵

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009）

電磁兼容性是很多電子設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。處于電磁環(huán)境中的電子設(shè)備的電磁兼容性應(yīng)達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，且不會(huì)干擾到相同環(huán)境中其他設(shè)備的工作。因此，設(shè)計(jì)電源時(shí)必須將電磁兼容性考慮在內(nèi)，以保障電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

電子電路向高密度、高集成化方向發(fā)展，對(duì)穩(wěn)壓電源提出了更高要求，要求達(dá)到體積小、重量輕以及效率高等標(biāo)準(zhǔn)。隨著開關(guān)式穩(wěn)壓電源的研究，電子電路已經(jīng)具備了以上優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)的研究和應(yīng)用持續(xù)增多[1]。然而，開關(guān)電源是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，在電源線路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓和其他各種噪聲，形成了一個(gè)強(qiáng)烈的干擾源。同時(shí)，它受到外界的電磁干擾。因此，為了保證自身能夠正常工作及設(shè)備供電不間斷，開關(guān)電源應(yīng)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，同時(shí)限制開關(guān)電源對(duì)外界造成干擾，避免發(fā)生互相干擾，使得相同環(huán)境下的各個(gè)設(shè)備均保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

1 導(dǎo)致電磁兼容性問題的原因

開關(guān)電源具有體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，但在應(yīng)用過程中存在電磁兼容性問題。由于主功率開關(guān)管的運(yùn)行方式主要是高頻開關(guān)方式，容易形成較多的高次諧波。此外，開關(guān)電源以電感負(fù)載為主，其分布電容等難以保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)它們以20 kHz以上頻率開關(guān)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比電源電壓高10～100倍的浪涌噪聲。該噪聲如果進(jìn)入設(shè)備電路，則容易干擾電路的正常工作[2]。此外，如果將開關(guān)二極管用于整流，則由于結(jié)電容等因素的影響，在電流及電壓保持較高的變化率時(shí)可能形成一定的高頻干擾，影響設(shè)備的運(yùn)行。

在開關(guān)電源中，為了濾除差模及共摸干擾信號(hào)，一般利用儲(chǔ)能電感和電容器組成L、C濾波電路。電感線圈中含有分布電容，能夠減小自諧振頻率，因此電感線圈中會(huì)有較多的高頻干擾穿過，并逐步擴(kuò)散到外部。在干擾信號(hào)頻率增大的情況下，濾波電容器引線電感會(huì)降低濾波質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)改變電容器的參數(shù)，最終引發(fā)明顯的電磁干擾問題。除了上述因素之外，由于設(shè)計(jì)和制作工藝上的問題，在開關(guān)電源內(nèi)外經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生如電容性和電感性耦合、公共阻抗耦合以及電磁輻射耦合等噪聲傳播，影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2 電磁兼容性問題的解決方法

電磁干擾不僅會(huì)干擾公共安全和電子設(shè)備的正常工作，還會(huì)影響居民的日常生活。因此，國(guó)家工程技術(shù)人員紛紛采取措施來抑制電磁干擾。開關(guān)電源的電磁兼容性問題可以劃分為多種類型，包括磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合等類型。因此，需要對(duì)開關(guān)電源電磁兼容性的問題進(jìn)行研究，有效解決電磁干擾問題，以提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性。一般可以從以下3個(gè)方面采取措施。第一，從源頭上減小干擾源形成的干擾信號(hào)。第二，基于新技術(shù)改善目標(biāo)的抗干擾能力。第三，抑制干擾信號(hào)傳播，中斷其傳播路徑[3]。

在解決開關(guān)電源干擾時(shí)，可以從上述3個(gè)方面入手。例如，加強(qiáng)輸入輸出濾波電路的設(shè)計(jì)、有效降低電源輸入端干擾、采用高性能的濾波器以及提高布線合理性等，盡量減小開關(guān)管和整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率。采用諧振頻率較高的濾波電容器，強(qiáng)化對(duì)殼體的屏蔽設(shè)計(jì)，保障接地處理的有效性。對(duì)于外部干擾（如浪涌等），可采用加裝浪涌吸收器、瞬態(tài)抑制二極管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼的電距離等方法，優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防浪涌電壓能力。

在開關(guān)電源中，整流二極管產(chǎn)生的噪聲是主要噪聲之一。該噪聲主要由二極管反相恢復(fù)時(shí)流過的反相電流所導(dǎo)致。一般來說，二極管的反相恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，其反相電流的幅值越大，而較大的反相電流將導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。為減小噪聲干擾，要求二極管反相恢復(fù)時(shí)間短，且具有軟恢復(fù)特性。其中，軟化恢復(fù)特性方式是將特定的緩沖器設(shè)置在二極管兩側(cè)位置，不但能夠軟化二極管的反相恢復(fù)特性和降低輸出噪聲，而且可以保護(hù)半導(dǎo)體器件，避免因開關(guān)電源產(chǎn)生的浪涌電壓而燒毀器件。該緩沖器主要是電容串聯(lián)電阻構(gòu)成的。

開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用對(duì)其外形和體積設(shè)計(jì)提出了更高要求。為了追求開關(guān)電源的小型化，開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率不斷提高，導(dǎo)致開關(guān)過程中會(huì)形成一定的尖峰電壓，容易引發(fā)電源輸出噪聲等問題，甚至可能導(dǎo)致整流二極管故障。在二極管處并聯(lián)RC緩沖器，可以在一定程度上保護(hù)二極管和降低輸出處噪聲。但是，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率較高時(shí)，緩沖器的電容、電阻等因吸收噪聲會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，增大損耗，不利于提升開關(guān)電源效率。為了有效解決上述問題，引入非晶型磁環(huán)以有效抑制反相電流，起到抑制噪聲和保護(hù)二極管的作用。為減少開關(guān)電源的噪聲，也可以在其輸出端和機(jī)架之間增加旁路電容，抑制共模噪聲。同時(shí)，可以在兩個(gè)輸出端之間增加旁路電容，抑制串模噪聲。在裝配旁路電容時(shí)，應(yīng)盡量減小引線的長(zhǎng)度。增加旁路電容和在裝配時(shí)，減小電源及布線的分布電容，可以減少由共模噪聲向串模噪聲的轉(zhuǎn)換，抑制共模噪聲。同時(shí)，電源的輸出線不能與交流功率線及其他大功率負(fù)載線平行并保持一定的間距，更不能捆扎在一起，以免產(chǎn)生耦合噪聲。開關(guān)電源內(nèi)部的布線，也不要前后級(jí)混雜和捆扎等。

3 開關(guān)電源的濾波設(shè)計(jì)

解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題的基本措施，是在其輸入輸出端加裝濾波器。開關(guān)電源輸入輸出濾波器的基本電路如圖1所示[4]。

圖1 開關(guān)電源輸入輸出濾波器的基本電路

該電路能有效濾除串模噪聲和共模噪聲。L1、L2、C1用于濾除串模噪聲；L3、L4、C2、C3用于濾除共模噪聲。C1、C2、C3應(yīng)選用高頻特性好的陶瓷電容或聚酯電容，且引線要盡可能短。L3和L4是抗共模噪聲扼流圈，均繞成相同的圈數(shù)。線圈中存在往返電流時(shí)會(huì)形成一定的磁通，并且會(huì)在磁芯中抵消，所以難以有效抑制串模噪聲。但是，它對(duì)于共模噪聲具有電感抑制效果。需要注意，扼流圈的鐵芯要選用較難飽和以及μ-f特性好的材料。在通過較大電流時(shí)，鐵芯的截面積不能太小，否則會(huì)使鐵芯磁飽和，導(dǎo)致抗干擾效果大幅度下降。同時(shí)，在扼流圈繞制過程中應(yīng)該適當(dāng)減少分布電容，否則容易產(chǎn)生不利影響，即噪聲成分將直接通過這些分布電容進(jìn)入系統(tǒng)，使扼流圈失去應(yīng)有的抑制作用。特別要指出的是，線圈的引線頭尾不要靠近，更不能捆扎在一起，否則將失去抑制共模噪聲的效果。

4 結(jié)語

開關(guān)電源的電磁兼容性直接影響其所在設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性。并行開展開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)、可靠性和維護(hù)性設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的基本功能設(shè)計(jì)，目的是使產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境下能正常工作，且不對(duì)周圍的電磁環(huán)境造成污染。