高频开关电源干扰研究

马俊

摘要

本文联系实际阐述了高频开关电源的发展史以及电磁干扰对日常生活的危害。依据以往开关电源电磁干扰源的分析，通过减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播途径，增强敏感设备的抗干扰能力三个方面来抑制产生的电磁干扰。基于此，本文查阅文献并自身实践，联系实际从传导和辐射两个方面着重分析了开关电源产生电磁干扰的原因及传播途径，浅析了现有抑制技术的不足之处，从滤波、PCB板布局两个方面提出了建议，用于提高开关电源电磁兼容性，从而更好的提高开关电源的稳定性，降低电磁干扰的危害。

关键词：高频开关电源，电磁干扰，抑制

一、高频开关电源的干扰的抑制技术

（一）高频开关电源的电磁干扰抑制方法

从电磁兼容三要素讲，要抑制高频开关电源的电磁干扰，可从以下三个方面入手：1）减少干扰源产生的干扰信号；2）切断干扰信号的传播途径；3）增强敏感设备的抗干扰能力。因此，高频开关电源电磁干扰控制技术主要有：EMI滤波、电路措施、屏蔽和印制电路板抗干扰技术等。现有抑制技术有如下几种：①滤波②减小开关管集电极和散热片之间的耦合电容③屏蔽④软开关技术⑤PCB技术⑥接地技术。

（二）滤波

EMI滤波器的主要目的是在150KHz—30MHz的频段范围内获得较高的插入损耗，但对频率为50Hz工频信号不产生衰减，使交流电压、电流顺利通过。任何电源线上的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器（如图2-1所示），在其外部加装屏蔽机壳，防止对周围设备产生干扰。在电源输入端接上滤波器，可以有效抑制来自电网的噪声对电源本身的危害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在电源输出端接输出滤波器，可以加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，抑制差模噪声。

（三）屏蔽

屏蔽的目的是使产生的电磁干扰不向外部辐射。采用屏蔽的方法可以有效的解决电磁干扰问题，它的优点是不影响电路的正常工作。屏蔽技术分为对产生电磁干扰部位的屏蔽和对受电磁干扰影响的元器件的屏蔽。在高频开关电源中，产生电磁干扰的元器件是指变压器、整流二极管、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使电磁波产生衰减。对抗电磁干扰较弱的元器件，应采取相应的屏蔽措施。此外，为使电磁干扰不向外部辐射，可将开关电源整体屏蔽，使向外辐射的电磁波衰减。然而，屏蔽体的焊接处、电源线的输入输出端子等处，均易产生电磁泄漏，且不易散热，结构成本将大幅度增加。因此，采用整体屏蔽时应充分考虑这些因素。现有高频开关电源，功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。

（四）软开关技术

软开关技术是在硬开关基础上发展起来的一种基于谐振技术或利用控制技术实现的在零电压/零电流状态下开通/关断的先进开关技术。在现代电力电子装置小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求的发展趋势下，软开关技术降低了开关损耗和开关噪声，进一步提高了开关频率。硬开关特点：①开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。②电压、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声。而软开关在原路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程中前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。

在现有软开关电路中，有以下3中分类方式：①根据开关开通和关断时电压和电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。②依据软件开关技术的发展的历程可以将软开关电路分为准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路③每一种开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本单元导出具体电路。

二、浅析常用抑制技术的改进点

（一）现有开关电源抑制技术的不足之处

现有的抑制措施大多从消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径出发，这确是抑制干扰的一种行之有效的办法，但很少有人涉及直接控制干扰源，消除干扰，或提高受扰设备的抗扰能力，殊不知后者还有许多发展的空间。

（二）滤波技术的改进建议

1.滤波器选型时应注意:

①明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两种频率分开;

②保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作;

③滤波器连续通以最大额定电流时，其温升要低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中器件的工作性能;

④为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值;

⑤滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，最好选用低引线短电感的穿心电容;

⑥要有较高的工作可靠性，因为作防护电磁干扰用的滤波器，其故障往往比其他元件的故障更难找。

2.滤波器安装应注意:

①电源线路滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回;

②滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振;

③滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理;

④滤波器的输入和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入―输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。

参考文献

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