高频开关电源中的电磁干扰问题探讨

黄长清

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）

0 引 言

随着高频开关电源被广泛应用于通信、家用电器和自动控制等领域，高频开关电源设计者越来越重视其质量。开关电源处于高频工作状态时，会产生较强的电磁干扰和较强的电流，存在较高的电压变化率。电磁干扰信号产生的电网污染会影响其他设备的正常工作，较宽的频率范围和幅度导致电源开关不符合EMC标准。另外，功率开关转换器在高频开关中发挥着重要作用。产生电磁干扰的主要部件是该转换器中的开关功率管和高频变压器，这是开关电源产生电磁干扰的根源[1]。

1 高频开关电源的电磁干扰问题

1.1 来自电源外部的电磁干扰

高频开关中的电磁干扰有一部分来源于电源外部，如电网中会产生电磁干扰。电网中存在着大量电子、电气设备，其中的非线性负荷之间有着复杂的电磁转换过程，过程中会产生一定的电磁干扰。逐渐增加的变频驱动、计算机、节能荧光灯等设备，会产生电压波动、浪涌冲击等，进而产生一定的差模干扰和共模干扰。雷电天气会产生电磁脉冲干扰，此时周围空间会出现较强的电磁场，一旦接触金属导体，便产生很强的感应电压[2]。

1.2 高频开关电源内部的电磁干扰

在高频开关电源内部，整流器、逆向变换器和变压器都会产生严重的电磁干扰。第一，整流器。非线性整流器是电源开关结构的一部分，可以产生严重失真的正弦半波，其中含有的高次谐波经过相互组合形成谐波、电场、磁场和浪涌等，具有连续、脉动和瞬变的特点。第二，变压器。普通变压器的主要材料是铁氧体磁芯和铜线圈，容易因为漏感而产生噪声，产生一定的电磁干扰。第三，逆向变换器。浪涌噪声的产生主要是由于分布电容和二极管中存在的电荷会随着高频开关电源频率的升高而增多。此时，电路中的分布电感会产生强烈的电磁干扰。利用软开关技术可以有效利用这种高频现象，增强其内部的谐波[3]。

1.3 高频变压器引起的干扰

开关电源中的高频变压器具有隔离和变压作用。高频情况下，变压器层间的分布电容会产生危险隔离，导致开关电源中的高频噪声在初、次级之间相互传递。遇到其他问题时，如在电容滤波容量不足或高频特性不好时，电容上的高频阻抗会通过变压器使高频电流传导到交流电源中形成传导干扰。

2 高频开关电源中电磁干扰抑制措施

按照噪源进行分类，开关电源的干扰可分为尖峰干扰和谐波干扰两种。工作过程中，在短时间内，其内部能形成电压和电流波。为了减少电磁干扰问题，可以减弱噪声的发生源，或者切断电源噪声与电网之间的耦合途径。干扰源、敏感体和耦合通路是产生电磁干扰的主要原因。在符合电磁干扰的模型中，电源开关在高压、高电流时引起的电磁兼容问题比较复杂，可从以下几方面抑制电磁干扰。

2.1 采用无源滤波器抑制高次谐波电流

在电源的输入部分附加扼流圈，是减少噪声的简单方法，局限性在于会增大高频开关电源的体积。图1是一种由正态电感器和共模电感器组成的无源滤波器，分为前后两部分，前者是抑制高次谐波的正态电感器，后者是抑制电磁干扰信号的EMI滤波器。其中，L1、L2是两个独立线圈。线圈方向不同，滤波器在接入电路后，两只线圈产生的电流相互抵消，使磁环处于不饱和状态，保持电感值不变。但是，由于磁环的材料不均匀等原因，使得L1、L2的电感量产生差值，由此产生差模电感。

图1 无源滤波器

2.2 电磁屏蔽

在不影响电路正常工作的情况下，可以采用电磁屏蔽，使异常产生的电磁干扰不向外部辐射。屏蔽技术包括发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽两种。变压器、电感器等，都属于可发出电磁波部位，可通过使用铜板或者铁板减弱电磁波。进行整体屏蔽时，应选择良好的导电性材料，防止辐射干扰向外部扩散。但是，在使用整体屏蔽时应考虑相关因素，如在屏蔽材料的接缝、电线的输入输出等易出现电磁泄露的部位热量不易散出，结构的成本也更高。

2.3 PCB抗干扰技术

印刷电路板抗干扰技术可以降低PCB的电磁辐射和PCB电路间的串扰，还包括PCB布局、布线和接地技术。开关电源的元器件在布局上要紧密排列，印制电路板布线间的电磁耦合要通过电场和磁场减少通路面积。布线时，应增大线与线之间的距离，抑制电场与磁场的耦合，同时采用静电屏蔽等减少干扰源和敏感电路的环路面积，降低敏感线路的输入阻抗。另外，接地也是抑制干扰的重要办法，包含安全接地、工作接地和屏蔽接地等。进行设计时应注意：第一，选择的地线要粗，防止接地电位随电流的变化而变化，导致定时控制信号电平不稳；第二，功率地与弱电地分开，在电路电流和电压高时，作为负载电路或功率驱动电路的零电位公共基准地线，其功率地受到的干扰会变大；第三，利用“浮地”技术，将交流电源地与直流电源地分开；第四，随着数字电源开关的发展，为了避免对模拟电路产生干扰，应将模拟电路与数字电路的电源地分开[4-5]。

2.4 软开关技术的应用

在现代电力技术发展趋势下，软开关具有装置小、轻量化等优势，是一种可以在零电流状态下实现开通/关断的先进开关技术。通过谐振技术或者控制技术实现在零电压下轻开关技术的使用，降低了开关损耗的能量，提高了开关频率。在硬开关电路基础上，增加电容元件和电感是软开关技术工作的基本思想。开关过程中，用电感和电容降低谐振。在开关开通时（图2为软开关的开关过程），电压比电流下降的速度快，避免了电压和电流的重合。但是，不要简单认为软开关技术可以降低EMI电平，因为在主功率开关器件的软开关电路中引入了辅助谐振单元，其谐

图2 软开关的开关过程

2.5 使用平面变压器

和普通变压器相比，平面变压器具有铜阻低、分布电容低等优势。平面变压器采用环形或者小尺寸的铁氧体磁芯。这些磁芯由铁氧体材料制成，再用多层印刷电路板制成绕组，然后和高频铁芯共同构成变压器的磁回电路。高频开关电源中，对磁芯的损耗小，满足谐振电路的需求，可以有效防止射频干扰[6]。

2.6 抑制高频开关电源的电磁脉冲

自然环境中的雷电可以使开关设备产生浪涌。为了保护整个设备，可以通过相关抑制措施，在短时间内将设备上大量的脉冲能量泄放在安全线上。通常，相关技术人员会采用气体放电管、并联压敏电阻等方法进行抑制。在高要求的设备中，可以采取多种方法结合使用。在设备要求低时，可以只使用一种方式解决，以取得良好的效果。

3 结 论

电磁干扰问题是一个综合很多学科的综合课题。综上所述，在微电子技术迅速发展的基础上，开关电源的小型化、数字化等优势已经成为发展的潮流，由此产生的高频电磁干扰问题也成为我国相关学者研究的课题。通过本文的分析可知，软开关、滤波、PCB设计等技术可以有效抑制电磁干扰，但存在一些误区，需要在今后的发展中不断总结提升。