基于開關電源的電磁干擾問題研究和解決方法

開關電源由于本身工作特性使得電磁干擾問題相當突出。從開關電源電磁干擾的模型入手論述了開關電源電磁兼容問題產生的原因及種類，并給出了常用的抑制開關電源電磁干擾的措施、濾波器設計及參數(shù)選擇。

0 引言

近年來，開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。國內已經以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，使得對開關電源在電磁兼容方面的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開關電源的EMI問題已經成為全球開關電源設計師以及電磁兼容（EMC）設計師非常關注的問題。本文討論了開關電源電磁干擾形成的原因以及常用的EMI抑制方法。

1 開關電源的干擾源分析

開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。開關電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅動波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成干擾。

開關電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對開關電源控制電路的干擾等。另一類是開關電源自身產生的電磁噪聲，如開關管和整流管的電流尖峰產生的諧波及電磁輻射干擾。

如圖1所示，電網中含有的共模和差模噪聲對開關電源產生干擾，開關電源在受到電磁干擾的同時也對電網其他設備以及負載產生電磁干擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾）。進行開關電源EMI/EMC設計時一方面要防止開關電源對電網和附近的電子設備產生干擾，另一方面要加強開關電源本身對電磁騷擾環(huán)境的適應能力。下面具體分析開關電源噪聲產生的原因和途徑。

圖1 開關電源噪聲類型圖

1.1 電源線引入的電磁噪聲

電源線噪聲是電網中各種用電設備產生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾（Common-mode Interference）定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾（Differential-mode Interference）定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中CP1為變壓器初、次級之間的分布電容，CP2為開關電源與散熱器之間的分布電容（即開關管集電極與地之間的分布電容）。

圖2 兩種干擾的等效電路

如圖2（a）所示，開關管V1由導通變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，其集電極電壓突升為高電壓，這個電壓會引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，分布電容的充電頻率即開關電源的工作頻率。則線路*模電流總大小為（Icm1＋Icm2）。如圖2（b）所示，當V1導通時，差模電流Idm和信號電流IL沿著導線、變壓器初級、開關管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們設置電源線濾波器時要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波效果。

1.2 輸入電流畸變造成的噪聲

開關電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導通角變小，輸入電流i成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實質上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網，引起嚴重的諧波污染，對電網上其他的電器造成干擾。為了控制開關電源對電網的污染以及實現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的部分。

圖3 未加PFC電路的輸入電流和電壓波形

1.3 開關管及變壓器產生的干擾

主開關管是開關電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強度相關。隨著開關管的工作頻率升高，開關管電壓、電流的切換速度加快，其傳導干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當也會造成電磁干擾。

開關電源工作過程中，由初級濾波大電容、高頻變壓器初級線圈和開關管構成了一個高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會產生較大的輻射噪聲。開關回路中開關管的負載是高頻變壓器初級線圈，它是一個感性的負載，所以，開關管通斷時在高頻變壓器的初級兩端會出現(xiàn)尖峰噪聲。輕者造成干擾，重者擊穿開關管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。

1.4 輸出整流二極管產生的干擾

理想的二極管在承受反向電壓時截止，不會有反向電流通過。而實際二極管正向導通時，PN結內的電荷被積累，當二極管承受反向電壓時，PN結內積累的電荷將釋放并形成一個反向恢復電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。反向恢復電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產生較強烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復噪聲也成為開關電源中一個主要的干擾源?？梢酝ㄟ^在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器，以抑制其反向恢復噪聲。

1.5 分布及寄生參數(shù)引起的開關電源噪聲

開關電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內在因素，開關電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及開關電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔浩骼@組的分布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關?？梢酝ㄟ^改進繞制工藝和結構、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。而開關電源與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。

如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性[2]，對其工作狀態(tài)產生影響。高頻工作時導線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為了保證開關電源在高頻工作時的穩(wěn)定性，設計開關電源時要充分考慮元件在高頻工作時的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時，導線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關電源中的輻射干擾源。

圖4 高頻工作下的元件頻率特性

2 開關電源EMI抑制措施

電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項都可以減少電磁干擾問題。開關電源工作在高電壓大電流的高頻開關狀態(tài)時，其引起的電磁兼容性問題是比較復雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

2.1 抑制開關電源中各類電磁干擾源

為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關電源需要使用功率因數(shù)校正（PFC）技術。PFC技術使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時也提高了開關電源的功率因數(shù)。

軟開關技術是減小開關器件損耗和改善開關器件電磁兼容特性的重要方法。開關器件開通和關斷時會產生浪涌電流和