开关电源的电磁干扰及技术趋势分析

刘杰 宋运昌

摘要：近年来，我国开关电源以追求高效率、低容量、高频率的特点得到了广泛的应用。它不仅具有适应性好、功率增大、频率可变的技术优点，而且技术发展迅速。本文对开关电源本身的电磁干扰及抑制对策进行分析和研究，促进我国的电网系统稳定发展。

关键词：开关电源;电磁干扰; EMI; 抑制

一、开关电源管的工作电动机理和开关电磁干扰工作原理

（一）开关电源的工作机理

开关电源在大多数产品中的主要功能是为了保证整个设备的正常工作运行提供电源。主要由以下部分功能组成：第一是输入电源处理（整流、保护、滤波等）电路;第二是控制电路（IC控制等）;第三是能量转换（变压器等）电路;第四是输出反馈处理回路;第五是输出电压处理回路（稳压、储能、滤波等）。另外输入电压经过整流前也会有浪涌、稳压等前期滤波回路，整流后也会经过X电容、共模电感、Y电容、母线电容等滤波回路，这些回路可以有效防止本身可能产生的电磁干扰从而影响整个主线路电网;控制回路主要是选择不同的PWM IC芯片，根据IC的不同进行不同的控制配置;能力转换只要是变压器及周边回路，如吸收回路，开关的MOS管等;输出反馈是对输出电压或电流的检测，并进行调整回路;输出的电压由于存在一些噪音或者根据后面使用的用途进行滤波、储能、或者保护等设计;

（二）电磁干扰的产生及其原理

开关电源本身在工作时以及电子设备处于开关工作状态时，都会在电源设备的输入端出现终端噪声，产生辐射及传导干扰，也会进入交流电网干扰其它的电子设备，所以必须采取有效措施加以抑制。在开关电源中，主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的DV/DT和DI/DT，因而电磁发射EME（Electromagnetic Emission）通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的电磁干扰衰减至合理范围内即可。

二、开关电源的电磁干扰新技术趋势分析

这些电磁干扰噪声，通过辐射和传导耦合的方式，会影响在此环境中运行的各种电子设备的正常工作。开关电源技术是一项综合性技术，我们可以利用先进半导体设计技术、磁性材料、电感元件技术以及开关器件技术等来有效地减少和抑制EMI信号干扰。以下是通过传统的抑制方法和几个新的热门方法进行說明。

传统的抑制方法可以总结如下：

①减小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、减缓其斜率，）;

②压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压;

③阻尼网络抑制过冲

④采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI

⑤有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术

⑥采用合理设计的电源线滤波器

⑦合理的接地处理

⑧有效的屏蔽措施

⑨合理的PCB设计等

新的控制方法—（一）调制频率（Modulated Frepuecy）控制电磁干扰是根据开关频率周期变化的，干扰能量集中在离散的开关频率点上，很难满足EMI标准的要求。如果把开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列分立边频带，则可以将干扰频谱展开，使干扰能量分布在各个频段上，这样更容易达到EMI标准。频率调制方法就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。最初人们采用随机频率控制，其主要思想是：在控制回路中加入一个随机扰动分量，使开关间隔（占空比D）进行不规则变化。则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。

（二）新的无源缓冲电路设计

开关变换器中主要的电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例，在开通时，其反向恢复电流不仅引起大量的开通损耗，还产生很大的di/dt。导致电磁干扰;在关断时，其两端的电压快速升高，有很大的dv/dt，从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可抑制开通时di/dt变化率、限制关断时dv/dt的变化，还具有电路简单、成本低的特点，因而得到广泛应用。

（三）无源补偿技术

应用无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下较好地抑制电路的共模干扰，并可减少LCM、节省成本。 由于共模干扰是由开关器件的寄生电容在高频时的di/dt产生的，因此，用一个额外的变压器绕组在补偿电容上产生一个180°的反向电压，产生的补偿电流再与寄生电容上的干扰电流迭加，从而消除干扰。这就是无源补偿的原理。

（四）滤波和去耦

滤波是将交流电源整流后的交流分量抑制掉。滤波后，直流电源中的纹波对电子电路各级的影响是不同的。因此需要对敏感部分或源加去耦合电路，去耦电路就是一个RC电容滤波电路，见图2。

合理布置电源的供电走线，将流有大电流的走线和输入级的供电线分开，供电线成网状分布，以降低印制电路板的铜箔电阻。

在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。简言之，EMI滤波设计可以理解为要满足以下要求：

1）规定要求的阻带频率和阻带衰减;（满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减）;

2）对电网频率低衰减（满足规定的通带频率和通带低衰减）;

3）低成本。

（五）合理接地和抑制从变压器串入的干扰

合理接地十分重要，它可以基本消除电流流过地线形成的耦合。通过地线的耦合示意图见图3。采用一点接地可有效消除之间通过地线的不良耦合。

一点接地就是将电子电路各级的接地点接在一点，特别要注意噪音源地线与退耦电容的接地点要尽可能地接在一点。

功率器件开关干扰，特别是高频干扰，可通过变压器进入线或PCB中。抑制这种干扰的方法是给变压器原副绕组之间加屏蔽层，加输入低通滤波器。这些技术措施如图4所示。

四、结语

本文从多个不同方面详细阐述了开关电源设计工作中可能产生线路电磁波的主要原因及解决对策。全面深入分析各种影响开关能源电网备用电源运行稳定性的各种因素，充分考虑结合不同电路技术要求制定开关电路设计解决方案，有效率地控制和完全消除线路电磁干扰对开关电网的各种负面影响。

参考文献：

[1]曹元玲.浅谈开关电源电磁干扰的抑制措施[J].科技创新导报，2018，8.

[2] 伟英，丘水生.开关电源电磁干扰抑制技术[J].低压电器，2017，19.