開關(guān)電源的干擾及其抑制措施

　　開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置，具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用，然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，屬于強(qiáng)干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性，以保證電子設(shè)備能夠長期安全可靠地工作，是開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源的一個(gè)重要課題。

　　1 開關(guān)電源干擾的產(chǎn)生

　　開關(guān)電源的干擾一般分為兩大類：一是開關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的干擾；二是由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。

　　1．1 開關(guān)電源內(nèi)部干擾

　　開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI主要是由基本整流器產(chǎn)生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾。

　　1．1．1基本整流器

　　基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)楣ゎl交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流，而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量，諧波（特別是高次諧波）會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，使前端電流發(fā)生畸變，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

　　1 1．2功率變換電路

　　功率變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，它產(chǎn)帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要元器件為

　　1）開關(guān)管開關(guān)管及其散熱器與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流（大體上是矩形波）時(shí)，該波形含有許多高頻成份；同時(shí)，關(guān)電源使用的器件參數(shù)如開關(guān)功率管的存儲(chǔ)時(shí)間，輸出級(jí)的大電流，開關(guān)整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，會(huì)造成回路瞬間短路，產(chǎn)生很大短路電流，另外，開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器或儲(chǔ)能電感，在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流，造成尖峰噪聲。

　　2）高頻變壓器 開關(guān)電源中的變壓器，用作隔離和變壓，但由于漏感的原因，會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)噪聲；同時(shí)，在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會(huì)將一次側(cè)高次諧波噪聲傳遞給次級(jí)，而變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通路，使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)更容易在其他引線上耦合形成噪聲。

　　3）整流二極管二次側(cè)整流二極管用作高頻整流時(shí)，由于反向恢復(fù)時(shí)間的因素，往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時(shí)不能立即消除（因載流子的存在，還有電流流過）。一旦這個(gè)反向電流恢復(fù)時(shí)的斜率過大，流過線圈的電感就產(chǎn)生了尖峰電壓，在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。

　　4）電容、電感器和導(dǎo)線開關(guān)電源由于工作在較高頻率，會(huì)使低頻元件特性發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。

　　1．2 開關(guān)電源外部干擾

　　開關(guān)電源外部干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖?。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等，電源干擾的類型見表1。

　　在表1中的幾種干擾中，能夠通過電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成因電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。

　　2 開關(guān)電源干擾耦合途徑

　　開關(guān)電源干擾耦合途徑有兩種方式：一種是傳導(dǎo)耦合方式，另一種是輻射耦合方式。

　　2．1 傳導(dǎo)耦合

　　傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備，產(chǎn)生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關(guān)電源中，這3種耦合方式同時(shí)存在，互相聯(lián)系。

　　2．1．1電路性耦合

　　電路性耦合是最常見、最簡單的傳導(dǎo)耦合方式。其又有以下幾種：

　　1）直接傳導(dǎo)耦合導(dǎo)線經(jīng)過存在騷擾的環(huán)境時(shí)，即拾取騷擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾。

　　2）共阻抗耦合由于兩個(gè)以上電路有公共阻抗，當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路，這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

　　2 .1．2電容性耦合

　　電容性耦合也稱為電耦合，由于兩個(gè)電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻間存在寄生電容，使一個(gè)電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。

　　2.1.3 電感性耦合

　　電感性耦合也稱為磁耦合，兩個(gè)電路之間存在互感時(shí)，當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。

　　2．2 輻射耦合

　　通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合是以電磁場(chǎng)的形式將電磁能量從騷擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷?。通常存?種主要耦合途徑：天線耦合、導(dǎo)線感應(yīng)耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。

　　2．2．1 天線與天線間的輻射耦合

　　在實(shí)際工程中，存在大量的天線電磁耦合。例如，開關(guān)電源中長的信號(hào)線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應(yīng)，能夠接收電磁騷擾，形成天線輻射耦合。

　　2．2．2 電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的感應(yīng)耦合

　　開關(guān)電源的電纜線一般是由信號(hào)回路的連接線、功率級(jí)回路的供電線以及地線一起構(gòu)成，其中每一根導(dǎo)線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)回路。因此，電纜線是內(nèi)部電路暴露在機(jī)箱外面的部分，最易受到騷擾源輻射場(chǎng)的耦合而感應(yīng)出騷擾電壓或騷擾電流，沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備形成輻射騷擾。

　　2．2．3 電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合

　　電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合是指回路受感應(yīng)最大部分的長度小于波長的1／4。在輻射騷擾電磁場(chǎng)的頻率比較低的情況下，輻射騷擾電磁場(chǎng)與閉合回路的電磁耦合。

　　2．2．4 電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合

　　電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場(chǎng)通過非金屬設(shè)備外殼、金屬設(shè)備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對(duì)其內(nèi)部的電磁騷擾。

　　3 抑制干擾的一些措施

　　形成電磁干擾的三要素是騷擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面人手，采取適當(dāng)措施。首先應(yīng)該抑制騷擾源，直接消除干擾原因；其次是消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

　　1）采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾，即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁騷擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。

　　2）所謂接地，就是在兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點(diǎn)上。接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁干擾的重要方法，電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”，因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地，利用一