1、摘 要：電磁干擾對開關電源的效率和安全性及使用的影響日益成為人們關注的熱點。我們分析開關電源產生電磁干擾的機理，并以電磁干擾的三要素為出發點，以目前幾種有效抑制開關電源電磁干擾措施進行分析比較為基礎，重點討論開關電源電磁兼容性問題,為開關電源電磁干擾與電磁兼容的進一步研究提出參考性建議。 關鍵詞：開關電源 電磁干擾 電磁兼容 1 引言 隨著近年來電子設備系統不斷的應用與發展，使得電磁環境日趨復雜。在復雜的電磁環境中，各種設備或系統實現電磁相互兼容并正常穩定工作，已日益受到重視。開關電源作為各種設備或系統的重要部分，既是騷擾源，又是被干擾者，于是抑制開關電源電磁干擾，提高電子產品的質量,使之符合

2、有關電磁兼容（EMC）標準或規范,已成為電子產品設計者越來越關注的問題。 2 開關電源的電磁干擾 電磁干擾是指由于電磁騷擾而引起的設備、系統或傳播通道性能的下降，通常存在于多種電子設備中。在開關電源中，我們從它的工作原理可知，產生其電磁干擾信號無非是它的內外圍電路引起的。具體分析如下： 2.1開關電源外圍電路產生的電磁干擾 開關電源外圍電路產生的電磁干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。干擾類型可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化，其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波以及瞬變等。比如在濾波電容以及一些寄生參數上： 濾波電容 開關電源的輸出端連接濾波電路和負載，為使

3、輸出電壓的交流成分很小，一般用大容量的電感和電容對輸出電壓進行濾波，為負載提供工作電壓。其中濾波電容上的電壓是不斷變化的：在電壓小于基準值時，開關電源的采樣電壓變小，開關電源閉合，對電容進行充電；當電容上的電壓大于基準值時，采樣電壓變大，開關電路斷開，電容放電。在不斷的充電、放電過程中，電容兩端的電壓在不斷變化，電源負載上的電壓也在不斷變化。電容兩端的電壓變化過程見圖1。 在圖1中，縱軸表示電容兩端的電壓，它的允許變化范圍為V1V2。橫軸表示電容的充放電時間，當開關電源的負載恒定不變時： 充電時間t充=t2-t1=t4-t3= t6-t5放電時間t放=t3-t2=t5-t4 放電周期t周=t3

4、-t1=t5-t3= t充+ t放 否則，充電時間t充1=t2-t1，t充2=t4-t3，t充3=t6-t5 放電時間t放1=t3-t2，t放2=t5-t4 充放電周期t周1=t3-t1 = t充1+t放1，t周2=t5-t3 = t充2+t放2， 此時，充電時間t充1t充2t充3 放電時間t放1t放2t放3 充放電周期t周1t周2t周3 當開關電源的負載不變化時，電容兩端的電壓按一定周期變化。根據傅立葉變換，電容兩端只產生與頻率1/ t充1和1/ t放1有關的信號及其多次諧波的信號。由于系統的工作狀態不斷變化，開關電源的負載也在不斷變化。此時，電容的充放電周期會發生變化，電容兩端會產生與頻率

5、1/ t充1、1/ t充2、1/ t充3和1/ t放1、1/ t放2、1/ t放3相關的信號及其多次諧波的信號。這樣，使開關電源的輸出端頻譜變得更加復雜，同時開關電源對設備的干擾也變得更強。 分布及寄生參數引起的開關電源噪聲 開關電源的分布參數是多數干擾的內在因素，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的。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關。 2.2開關電源內部電路產生的電磁干擾 開關電源內部產生電磁干擾的因素較多，其中由基本整流器產生的電流高

6、次諧波干擾和變壓器型功率轉換電路產生的尖峰電壓干擾是主要因素。它們之所以產生于電源裝置的內部，是由于開關電源中的二級管和晶體管在工作過程中產生的躍變電壓和電流，通過高頻變壓器、儲能電感線圈和導線以及系統結構、元件布局等而造成的。 基本整流器 基本整流器的整流過程是產生電磁干擾最常見的原因。這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流。根據傅立葉變換公式，此電流波可分解為一個直流分量和一系列不同頻率的諧波之和。開關電源內部電路產生的交流分量和開關電源外部電路產生的交流分量相結合，使開關電源輸出頻率成分更加復雜。另外這一系列頻率不同的諧波分量，特別是高次諧波會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射

7、干擾，使前端電流發生畸變，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變，另一方面通過電源線產生射頻干擾。 功率變換電路 功率變換電路是實現變壓、變頻以及完成輸出電壓調整的部件，是開關穩壓電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的尖峰電壓是一種有較大輻度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產生這種脈沖干擾的主要原因是： （1） 開關功率晶體管的負載是高頻變壓器或儲能電感。在開關管導通的瞬間，變壓器初級出現很大的電流，它在開關管過激勵較大時，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關管。 （2）高頻變壓器是開關電源中的變壓器，用作隔離和變壓，但由于漏感的原

8、因，會產生反電勢eL=Ldi/dt會使開關管的集-射極之間出現電壓上沖。這是因為開關管從Ton轉換到Toff時，由于變壓器的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，與集電極的電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比。這種電源電壓中斷會產生與變壓器初級接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，它是一種傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會使干擾傳導返回配電系統，造成電網諧波電磁干擾，影響其它用電設備的安全和經濟運行。 （3） 因為在輸出整流二級管截止時，由于PN結中有較多的載流

9、子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,會有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管稱為硬恢復特性二級管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數的影響下，將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。 如圖2所示，T1是變壓器初級線圈電流，T2是二次線圈電流，VDS是開關管漏源極間電壓，VD是二次側輸出二極管上兩端電壓。開關管關斷時所產生頻率為f1的干擾，而輸出二極管反向電流引起頻率為f2的干擾。 3 開關電源的電磁兼容性問題 電磁兼容(EMC)是指電子設備或系統在規定的電磁環境電平下不因電磁騷擾而降低性能指標，同時它們本身產生的電磁輻射不大于規

10、定的極限電平，不影響其它電子設備或系統的正常運行，并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。開關電源同其它電子設備一樣，要實現電磁兼容，安全穩定的工作，首先要解決好自身的電磁干擾源問題。同時還要考慮不被系統其他電子設備干擾。我們從電磁干擾的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手。 3.1減小干擾源產生的干擾信號 功率因數校正（PFC）技術應用 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

11、性，同時也提高了開關電源的功率因數。 軟開關技術的應用 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尖峰電壓，這是開關管產生電磁干擾及開關損耗的主要原因。使用軟開關技術使開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關管或高頻變壓器初級線圈兩端的尖峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。 串聯電感原理應用 輸出整流二極管的反向恢復問題可以通過在輸出整流管上串聯一個飽和電感來抑制，如圖3所示，飽和電感Ls與二極管串聯工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電

12、感有很高的磁導率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區并很容易進入飽和。實際使用中，在輸出整流二極管導通時，使飽和電感工作在飽和狀態下，相當于一段導線；當二極管關斷反向恢復時，使飽和電感工作在電感特性狀態下，阻礙了反向恢復電流的大幅度變化，從而抑制了它對外部的干擾。 圖3 飽和電感在減小二極管反向恢復電流中的應用3.2切斷干擾信號的傳播途徑 共模、差模電源線濾波器設計 電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源EMI濾波器基本電路如圖4所示。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。在圖4中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY

13、1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。其衰減這兩種干擾信號的基本原理是利用電容通高頻隔低頻的特性,將電源正極、電源負極高頻干擾電流導入地線(共模) ,或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極(差模) ;另外再利用電感線圈的阻抗特性,將高頻干擾電流反射回干擾源。 圖4中的共模電感L1是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共

14、模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。L1的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關，具體關系參見表1所列。 實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感。 除了共模電感以外，圖4中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低

15、漏電流特性。因此，電容CY的大小受到了限制，一般為2.233nF。電容類型一般為瓷片電容，使用中應注意在高頻工作時電容器CY與引線電感的諧振效應。 而差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖4中電容CX1），只要電容選擇適當，就能對高頻干擾起到抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，并能承受可預料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.010.1F

16、之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。 電路隔離 在開關電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過隔離元器件把電磁干擾的路徑切斷，從而達到抑制電磁干擾的效果。這種電路的隔離在目前市場上的數字式開關電源上已經較為普遍，而且技術也相當成熟。它主要是利用光電耦合器進行電路隔離，利用它的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導體二極管發光；同時光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；而且光電耦合器的隔離電阻很大（約1012）、隔離電容很小（約幾個pF）所以能阻止

17、電路性耦合產生的電磁干擾。 CB板的合理布局與布線 開關電源的輻射干擾與電流通路中的電流大小，通路的環路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射干擾EI·A·f 2。運用這一關系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長。上述關系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關鍵，這是說開關電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊;在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上，將正負載流導線分別布在印制板的兩面，并設法使兩個載流導體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負載流導體所產生的外部磁場是趨向于相互抵消的。同時電

18、路中的電流環路應保持最小；信號線和回線以及電源線和地線應相互接近。 3.3增強受干擾體的抗干擾能力 利用磁珠，提高電路的抗干擾能力 磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。在電磁干擾濾波器中經常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產生的電容最小。鐵氧體材料通常應用于高頻情況，因為在低頻時它們主要呈現電感特性，使得損耗很小。在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率的升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式消耗掉。 屏蔽 采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾，即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來