开关电源中传导干扰的抑制措施

刘 牮，刘 振

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)



开关电源中传导干扰的抑制措施

刘 牮，刘 振

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

传导性电磁干扰是开关电源的主要干扰源，国际电磁兼容测试标准规定的电源产品EMC 指标己成为开关电源的一个重要性能参数。文中从开关电源的工作原理和元器件特性出发，对开关电源的电磁干扰机理进行分析，研究抑制开关电源中传导干扰的措施。着重研究了滤波器的抑制措施，从实际应用角度对滤波器中的电感、电容等元件的特性进行了分析，给出了实用的滤波电路和元件参数。真空接触器中开关电源的电磁传导干扰抑制的应用结果表明，使用滤波器等抑制措施对电磁传导干扰有很好的抑制效果。

开关电源；传导干扰；滤波器

LIU Jian, LIU Zhen

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

电磁兼容(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对环境中的任何设备产生严重电磁干扰的能力。这其中包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发射，不致影响其他设备或系统的功能；本设备或系统的抗干扰能力，又足以使其自身功能不受其他干扰的影响[1]。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点。但由于开关电源中包含开关三极管、整流及续流二极管、功率变压器,高压、大电流的方波在高频化的切换过程中会产生严重的电压和电流谐波，将通过电源输入和输出线路及外壳向外形成传导和辐射骚扰，影响其他设备的工作[2]。

电磁干扰(EMC)包括辐射干扰和传导干扰。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路传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；谐波和寄生振荡的能量，会在空间产生电场和磁场干扰影响附近的电子设备正常工作，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。这些电磁场干扰从电磁骚扰的测试标准看，试验以30 MHz干扰频率为界，>30 MHz的为辐射干扰，<30 MHz的为传导干扰。开关电源产生干扰的频率范围较低(<30 MHz)，对于大多数小功率开关电源来说，其几何尺寸也<30 MHz所对应的波长10 m，干扰的方式主要是传导干扰[3]。因此，研究电磁传导干扰产生的原因及其解决方法对于抑制开关电源中的电磁干扰具有重要的理论意义和使用价值。

1 开关电源的电磁传导干扰分析

1.1 差模干扰和共模干扰

传导干扰分为差模干扰(DM)和共模干扰(CM)。差模，也称为对称模式或普通模式，差模干扰产生于信号线与信号地线之间，电流Idm流过这两条导线，一进一出，该干扰没有电流流过接地部分。共模，产生于电缆线和大地之间形成的回路，电流Icm流经L(N)和E[4]。差模和共模形成的电路回路如图1和图2所示。

图1 差模

图2 共模

图中，L代表火线(或电网相线)；N代表中性线；E代表安全地或简称为地线。差模干扰和共模干扰中的电流方向并无特殊规定，也可以反向流动。差模干扰中的电流从L(或N)导线流入，从另一条导线流出。共模中的电流从输入侧经L(或N)流向输出侧，然后再经过E流到输入侧，形成一个共模电流回路。

1.2 共模干扰和差模干扰产生原因

开关电源首先将工频交流整流为直流,再逆变为高频,最后经过整流滤波电路输出,得到稳定的直流电压,因此自身含有大量的谐波干扰。同时,由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,都形成了潜在的电磁干扰。

1.2.1 差模噪声的主要来源

开关电源中的输入电容除了承受从电源线流入的工作电流以外，还要提供开关管所需的高频脉冲电流。由于实际的电源输入大电容并非理想的电容，即等效串联电阻(ESR)非零，电流流经电阻必然产生压降，所以在电源输入的情况下输入电容两端会出现高频电压纹波，在L和N两相之间形成差模干扰。

1.2.2 共模噪声的主要来源

开关电源的机壳是需要接地的，高频电流流入机壳就会产生共模干扰，同时高频电流流入机壳有许多偶然的路径。一方面,散热片与开关管的集电极间的绝缘片,由于其接触面积较大,绝缘片较薄,因此两者间的分布电容在高频时不能忽略,高频电流会通过分布电容流到散热片上,再流到机壳地,产生共模干扰;另一方面,脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容,可将原边电压直接耦合到副边上,在副边侧直流输出的两条电源线上产生共模干扰[5]。

2 开关电源中抑制干扰的措施

形成电磁干扰的3要素是干扰源、耦合途径和敏感设备[6]。因而,抑制电磁干扰也应该从这3个方面考虑。干扰源有时是客观存在的，这和开关电源所处的环境有关。如果开关电源的工作环境存在较大的干扰源，应着重考虑从其他两个方面进行电磁干扰的抑制，同时开关电源本身也是个较大的干扰源。开关电源作为受电磁干扰的敏感设备，在设计开关电源的原理图和PCB板时就要考虑如何抑制电磁干扰。切断电磁干扰和开关电源之间的耦合途径是抑制干扰的一种行之有效的办法。常用的方法有屏蔽、接地和滤波[7]。屏蔽是将产品或局部用金属体包起来，可以抑制电磁波从空间辐射出去或者辐射进来，起到了降低产品的对外辐射，提高了产品抗外部辐射干扰的能力；接地的主要目的是在产品内部形成一个低阻抗回路以及等电位的连接，这样可以抑制前文介绍的共模干扰，从而提高产品的电磁兼容性；滤波可以把有用信号频谱以外的干扰信号能量加以抑制，它既可以抑制对外的干扰，也能够抑制外部干扰信号对产品的影响。滤波是电路设计中实现电磁兼容的主要手段。

3 滤波器设计及器件的选用

3.1 滤波器电路结构

针对开关电源的差模干扰，设计中所用的差模滤波器电路结构如图3所示。

图3 差模滤波器

差模滤波器中的Ldm1和Ldm2称为差模扼流线圈，线圈的固有特性是用电感量L表示的。电感阻抗XL=jωL,所以在低频率下线圈为低阻抗 ，在高频率下为高阻抗。开关电源中线圈是工作在高频环境下的，所以利用线圈在高频时的高阻抗来衰减差模信号。

差模滤波器中的电容C1、C2称为X电容，设计中利用了电容的低频率高阻抗，高频率低阻抗的特性，在高频时电容的低阻抗可以短路掉差模干扰，达到抑制开关电源中差模干扰的产生目的。针对开关电源中的共模干扰，设计中所用的共模滤波器电路结构如图4所示。

图4 共模滤波器

共模滤波器中的Lcm1和Lcm2组成一个共模扼流线圈，共模线圈和差模线圈同样利用了电感的高频率高阻抗特性，不同的是共模线圈由两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同，但绕制反向。因此，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻以及少量因漏感造成的阻尼影响；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的[8]。

共模滤波器中的电容C1、C2、C3、C4称为Y电容，设计中利用了电容的低频率高阻抗，高频率低阻抗的特性。不同的是，差模滤波中的电容是对线路中的两极短路，共模滤波中的电容是对线和地短路。

把上述滤波器组合成一个差模共模组合滤波器，如图5所示。将差模共模组合滤波器与开关电源的输入端并联，达到抑制开关电源中传导干扰的目的。

图5 差模共模组合滤波器

3.2 滤波器分立元件的选用

在实际的滤波器应用中，即使选择了正确的滤波电路结构，也不意味着能设计出性能优良的开关电源EMI滤波器，实际线圈和电容的选择是滤波器设计过程中重要的一个方面。

线圈的绕制应尽量采取单层绕制的方法，采用多层并绕的方法会增加绕组跨绕线电容，降低自谐振频率，从而减小噪声抑制比，影响滤波器性能。必须使用多层绕制时也要采用分段绕制，如图6所示，这样可以影响滤波器性能。需要多层绕制时也要采用分段绕制，这样可以同样减少绕线间的分布电容[9]，分段绕线示意图如图6所示。

图6 线圈绕制示意图

交流输入电流产生的磁通会在共模扼流圈两组对称的绕组中相互抵消，因而共模扼流圈中不存在磁芯饱和的问题。在差模扼流圈中，当通过差模电感的电流过大时,会产生磁饱和现象,电感量亦会随之下降而失去滤波作用。为避免磁芯因饱和而失去滤波作用,要求差模磁芯具有较高的磁饱和密度和较好的电感量保持能力,同时本身也不产生较大的磁损耗。

差模和共模滤波器中所使用的X电容和Y电容都是安规电容，X电容是指跨接在输入线两端之间的电容器，它适用于当该电容失效时不会导致电击、不危及人身安全场合；Y电容是指跨接于火线和地线(L-G) 之间以及在零线和地线(N-G) 之间的电容器，它适用于电容失效时会导致电击、危及人身安全的场合。

在开关电源中使用的X电容分为X1电容和X2电容，它们的主要差别为：X1电容耐高压>2.5 kV，≤4 kV；X2电容耐高压≤2.5 kV。开关电源中的Y电容可分为Y1电容、Y2电容和Y4电容，主要差别如下：Y1电容耐高压>8 kV；Y2电容耐高压>5 kV,<8 kV；Y4电容耐高压>2.5 kV ,<5 kV[10]。

在抑制电磁干扰时，电容的作用是将干扰旁路掉，选用的电容对干扰信号具有很低的阻抗。共模电容不仅制约着滤波器的共模滤波性能,而且对于人身安全也至关重要。由于接触电流的限制，Y电容的总电容值必须受到限制不能过大，Y电容容值一般被控制在≤0.1 μF的范围以内，如果为了更好地抑制产品的传导骚扰，选用的Y电容总容值一般都不超过4 700 pF。根据实际需要，X电容的容值允许比Y电容的容值大，X电容的典型容值是零点几至1 μF。

4 实际应用

将上述滤波器应用到真空接触器的开关电源中，其开关电源电路如图7所示。该电路的输入电源为一个宽输入电压，电压范围是AC250～500 。该电源电路采用降压型(BUCK)的LNK302离线式开关芯片，提供系统级的过热、输出短路及控制环开路保护。LNK302离线式开关芯片的频率调制技术大幅降低了EMI,这样大幅增加了开关电源的抗电磁干扰性。

图7 用于真空接触器的开关电源

开关电源的输入端加入滤波器,参数为Ldm=100 μH，Cx=0.1 μH，Lcm=15 mH,Cy= 4.7 nF，同时差模和共模扼流圈允许通过5 A 的电流。输入滤波器具有互易性能，既可以抑制电源传入开关电源的干扰，也可以抑制开关电源反向串入电源的干扰[11]。真空接触器属于低压电器产品，在电磁骚扰发射的测试中属于B类环境的设备。图8是开关电源中加入输入滤波器的传导骚扰测试实验数据图，从图中可以看出开关电源中输入滤波器的加入较好地消减了开关电源的电磁传导干扰。

图8 传导骚扰测试数据

5 结束语

本文从开关电源中传导干扰产生的原因入手，讨论了抑制开关电源中传导干扰的有效措施，分析了EMI滤波器的电路结构，同时对滤波器中的线圈和电容的选用进行了总结。通过真空接触器开关电源的应用测试表明，本文讨论的抑制电磁传导干扰的措施是有效的，保证了开关电源的安全性和可靠性。

[1] 孙慧贤,王群.开关电源电磁干扰的抑制措施[J].低压电器,2005 (8):54-58.

[2] Mohamed Miloudi, Abdelber Bendaoud, Houcine Miloud. Analysis and reduction of common-mode and differential-mode EMI noise in a flyback switch-mode power supply (SMPS)[J]. Telecommunications Forum TELFOR, 2012(20):1080-1083.

[3] 钱照明,袁义生.开关电源EMC设计研究现状及发展[J].电子产品世界,2003(4)：69-71．

[4] Synjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社,2015.

[5] Liu Qian,Wang Shuo,Baisden C.EMI suppression in voltage source converters by utilizing DC-link decoupling capacitors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006 (21): 1187-1193.

[6] 王庆斌,刘萍.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社,1998.

[7] 杨淑霞,胡映.开关电源的抗干扰设计[J].现代电子技术,2002(2):18-20.

[8] 曹丽萍,张勋,陈晨.开关电源输入EMI滤波器设计与仿真[J].电子科技,2010,23(4):42-49.

[9] 王丽. EMI电源滤波器的设计和研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[10] 王世栩,王沈敏.安规电容对电子产品安全性和电磁兼容性的影响[J].质量与标准化,2014 (2):48-51.

[11] 张舟云,徐国卿,沈祥林.无源滤波器在开关电源中的应用分析[J].电力电子技术,2004,38(5):45-68.

Suppression of Conductive Interference in Switch Mode Power Supply

Conductive electromagnetic interference is the main interference source of switching power supply, and the parameter of the power products from the international EMC rules has become one of the most critical parameters of the power supply. Based on the principles of the switching power supply and the characteristics of the components, the electromagnetic interference mechanism of the switching power supply is analyzed, and the measures to restrain the conduction interference in the switching power supply are studied. In this paper, the suppression measures of the filter are studied, and the properties of filter elements (capacitors and inductors) are analyzed. The application results of EMI suppression of the switching power supply in vacuum contactor indicate that the filter and other suppression methods have a good effect on electromagnetic interference.

switch mode power; conductive interference; filter

2015- 12- 29

刘牮(1961-),男，副教授，硕士生导师。研究方向：电子技术及计算机控制。刘振(1989-),男，硕士研究生。研究方向：开关电源。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.009

TN03；TM86

A

1007-7820(2016)10-029-04