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电池/开关电源 |
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开关电源中电磁干扰与电磁兼容 |
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作者：浙江广厦建设职业技术学院 陈洲 |
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摘 要：电磁干扰对开关电源的效率和安全性及使用的影响日益成为人们关注的热点。我们分析开关电源产生电磁干扰的机理，并以电磁干扰的三要素为出发点，以目前几种有效抑制开关电源电磁干扰措施进行分析比较为基础，重点讨论开关电源电磁兼容性问题,为开关电源电磁干扰与电磁兼容的进一步研究提出参考性建议。
关键词：开关电源 电磁干扰 电磁兼容
1 引言
随着近年来电子设备系统不断的应用与发展，使得电磁环境日趋复杂。在复杂的电磁环境中，各种设备或系统实现电磁相互兼容并正常稳定工作，已日益受到重视。开关电源作为各种设备或系统的重要部分，既是骚扰源，又是被干扰者，于是抑制开关电源电磁干扰，提高电子产品的质量,使之符合有关电磁兼容（EMC）标准或规范,已成为电子产品设计者越来越关注的问题。
2 开关电源的电磁干扰
电磁干扰是指由于电磁骚扰而引起的设备、系统或传播通道性能的下降，通常存在于多种电子设备中。在开关电源中，我们从它的工作原理可知，产生其电磁干扰信号无非是它的内外围电路引起的。具体分析如下：
2.1开关电源外围电路产生的电磁干扰
开关电源外围电路产生的电磁干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化，其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等。比如在滤波电容以及一些寄生参数上：
2.1.1滤波电容
开关电源的输出端连接滤波电路和负载，为使输出电压的交流成分很小，一般用大容量的电感和电容对输出电压进行滤波，为负载提供工作电压。其中滤波电容上的电压是不断变化的：在电压小于基准值时，开关电源的采样电压变小，开关电源闭合，对电容进行充电；当电容上的电压大于基准值时，采样电压变大，开关电路断开，电容放电。在不断的充电、放电过程中，电容两端的电压在不断变化，电源负载上的电压也在不断变化。电容两端的电压变化过程见图1。
在图1中，纵轴表示电容两端的电压，它的允许变化范围为V1~V2。横轴表示电容的充放电时间，当开关电源的负载恒定不变时：
充电时间t充=t2-t1=t4-t3= t6-t5放电时间t放=t3-t2=t5-t4
放电周期t周=t3-t1=t5-t3…= t充+ t放
否则，充电时间t充1=t2-t1，t充2=t4-t3，t充3=t6-t5… 放电时间t放1=t3-t2，t放2=t5-t4…
充放电周期t周1=t3-t1 = t充1+t放1，t周2=t5-t3 = t充2+t放2，…
此时，充电时间t充1≠t充2≠t充3≠… 放电时间t放1≠t放2≠t放3≠…
充放电周期t周1≠t周2≠t周3≠…
当开关电源的负载不变化时，电容两端的电压按一定周期变化。根据傅立叶变换，电容两端只产生与频率1/ t充1和1/ t放1有关的信号及其多次谐波的信号。由于系统的工作状态不断变化，开关电源的负载也在不断变化。此时，电容的充放电周期会发生变化，电容两端会产生与频率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…相关的信号及其多次谐波的信号。这样，使开关电源的输出端频谱变得更加复杂，同时开关电源对设备的干扰也变得更强。
2.1.2分布及寄生参数引起的开关电源噪声
开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。
2.2开关电源内部电路产生的电磁干扰
开关电源内部产生电磁干扰的因素较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。它们之所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。
2.2.1基本整流器
基本整流器的整流过程是产生电磁干扰最常见的原因。这是因为工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流。根据傅立叶变换公式，此电流波可分解为一个直流分量和一系列不同频率的谐波之和。开关电源内部电路产生的交流分量和开关电源外部电路产生的交流分量相结合，使开关电源输出频率成分更加复杂。另外这一系列频率不同的谐波分量，特别是高次谐波会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，使前端电流发生畸变，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。
2.2.2功率变换电路
功率变换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：
（1） 开关功率晶体管的负载是高频变压器或储能电感。在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的电流，它在开关管过激励较大时，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。
（2）高频变压器是开关电源中的变压器，用作隔离和变压，但由于漏感的原因，会产生反电势eL=－Ldi/dt会使开关管的集-射极之间出现电压上冲。这是因为开关管从Ton转换到Toff时，由于变压器的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，与集电极的电流变化率(di/dt)成正比，与漏感量成正比。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变，它是一种传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会使干扰传导返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，影响其它用电设备的安全和经济运行。
（3） 因为在输出整流二级管截止时，由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,会有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二级管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。
如图2所示，T1是变压器初级线圈电流，T2是二次线圈电流，VDS是开关管漏源极间电压，VD是二次侧输出二极管上两端电压。开关管关断时所产生频率为f1的干扰，而输出二极管反向电流引起频率为f2的干扰。
3 开关电源的电磁兼容性问题
电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁骚扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。开关电源同其它电子设备一样，要实现电磁兼容，安全稳定的工作，首先要解决好自身的电磁干扰源问题。同时还要考虑不被系统其他电子设备干扰。我们从电磁干扰的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面入手。
3.1减小干扰源产生的干扰信号
3.1.1功率因数校正（PFC）技术应用
为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。
3.1.2软开关技术的应用
软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。
3.1.3串联电感原理应用
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，如图3所示，饱和电感Ls与二极管串联工作。饱和电感的磁芯是用具有矩形BH曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导率，该种磁芯在BH曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。
图3 饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用
3.2切断干扰信号的传播途径
3.2.1共模、差模电源线滤波器设计
电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源EMI滤波器基本电路如图4所示。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图4中CX1和CX2叫做差模电容，L1叫做共模电感，CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。其衰减这两种干扰信号的基本原理是利用电容通高频隔低频的特性,将电源正极、电源负极高频干扰电流导入地线(共模) ,或将电源正极高频干扰电流导入电源负极(差模) ;另外再利用电感线圈的阻抗特性,将高频干扰电流反射回干扰源。
图4中的共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。L1的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，具体关系参见表1所列。
实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感。
除了共模电感以外，图4中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及CY2起作用。电容CY的选择要根据实际情况来定，由于电容CY接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。因此，电容CY的大小受到了限制，一般为2.2～33nF。电容类型一般为瓷片电容，使用中应注意在高频工作时电容器CY与引线电感的谐振效应。
而差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图4中电容CX1），只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击危害，CX电容容量不宜过大，一般在0.01～0.1μF之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。
3.2.2电路隔离
在开关电源中，电路的隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。主要目的是通过隔离元器件把电磁干扰的路径切断，从而达到抑制电磁干扰的效果。这种电路的隔离在目前市场上的数字式开关电源上已经较为普遍，而且技术也相当成熟。它主要是利用光电耦合器进行电路隔离，利用它的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；同时光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；而且光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。
3.2.3 PCB板的合理布局与布线
开关电源的辐射干扰与电流通路中的电流大小，通路的环路面积，以及电流频率的平方等三者的乘积成正比，即辐射干扰E∝I·A·f 2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近，且布线紧凑;在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。在印制板上，将正负载流导线分别布在印制板的两面，并设法使两个载流导体彼此间保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。同时电路中的电流环路应保持最小；信号线和回线以及电源线和地线应相互接近。
3.3增强受干扰体的抗干扰能力
3.3.1利用磁珠，提高电路的抗干扰能力
磁珠的主要原料为铁氧体，铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料，铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。在电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率，它可以使电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常应用于高频情况，因为在低频时它们主要呈现电感特性，使得损耗很小。在高频段，阻抗主要由电阻成分构成，随着频率的升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小，但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式消耗掉。
3.3.2 屏蔽
采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。其原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁骚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。
3.3.3 接地
所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰的重要方法，电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”，因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。
4 结语
开关电源电磁干扰与电磁兼容是一个十分复杂的问题, 特别是在如今开关电源体积越来越小，功率密度越来越大的趋势下。逐渐地成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是一个最容易忽视的方面。当然产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。唯一不变的是只有在设计时充分考虑电磁兼容问题，才能使开关电源得到更普遍的应用。
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(10/14/2009) |
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