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开关电源的电磁干扰及抑制技术
由于开关电源本身的工作原理,使得电磁干扰问题相当突出,其干扰信号经传导和辐射对电子设备、通信系统等产生电磁污染.本文介绍了电磁干扰的产生机理和传输方式:一种是传导传输方式,另一种则是辐射传输方式.本文从电磁干扰产生的'机理入手,着重分析了开关电源电磁干扰产生的原因,总结了抑制电磁干扰的措施,比如滤波技术、屏蔽技术、软开关技术、扩频调制技术、PCB设计技术和接地技术等.
作 者：王敬斌 Wang Jingbin 作者单位：五原电力公司,内蒙古巴彦淖尔,015100 刊 名：电子测试 英文刊名：ELECTRONIC TEST 年，卷(期)： “”(3) 分类号：V242.3 关键词：开关电源 电磁干扰 电磁抑制 滤波屏蔽作者Email:lwh952#sohu.com
摘要本文先分析了开关电源产生电磁干扰的机理,,就目前几种有效的开关电源电磁干扰措施进行了分析比较，并为开关电源电磁干扰的进一步研究提出参考建议。
目前，许多大学及科研单位都进行了开关电源EMI（ElectromagneticInterference）的研究，他们中有些从EMI产生的机理出发，有些从EMI产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI的抑制措施提出新的参考建议。
一、开关电源电磁干扰的产生机理
开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明：
1、二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,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,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
2、开关管工作时产生的谐波干扰
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。
3、交流输入回路产生的干扰
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。
开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
4、其他原因
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
二、开关电源EMI的特点
作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度.
三、EMI测试技术
目前诊断差模共模干扰的三种方法：射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单（见图1），测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制造要求很高。
四、目前抑制干扰的几种措施
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是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（见图2）;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如,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。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连.
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,当磁力线穿过该回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(底板或多层印制板电路的导电平面层等)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。
滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。
EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施,可以滤除多种原因产生的传导干扰。图3是一种由电容、电感组成的EMI滤波器,接在开关电源的输入端。电路中,C1、C5是高频旁路电容,用于滤除两输入电源线间的差模干扰;L1与C2、C4;L2与C3、C4组成共模干扰滤波环节,用于滤除电源线与地之间非对称的共模干扰;L3、L4的初次级匝数相等、极性相反,交流电流在磁芯中产生的磁通相反,因而可有效地抑制共模干扰。测试表明,只要适当选择元器件的参数,便可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。
五、目前开关电源EMI抑制措施的不足之处
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。
六、改进措施的建议
我认为目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰，已渐进成熟。我们的视点要回到开关电源器件本身来。从多年的工作实践来看，在电路方面要注意以下几点：
(1)印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开,电源和地线单独引出,电源供给处汇集到一点;PCB布线时,高频数字信号线要用短线,主要信号线最好集中在PCB板中心,同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次，可以根据耦合系数来布线，尽量减少干扰耦合。（见表1）
(2)印制板的电源线和地线印制条尽可能宽,以减小线阻抗,从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。
(3)器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度,以减小元件分布电感的影响。
(4)在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容,以缩短开关电流的流通途径,如用10μF铝电解和01μF电容并联接在电源脚上。对于高速数字IC的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容,因为钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。
结论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。全面抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用。
解析几种有效的开关电源电磁干扰的抑制措施
作者Email: lwh952@sohu.com
摘 要本文先分析了开关电源产生电磁干扰的机理, ,就目前几种有效的开关电源电磁干扰措施进行了分析比较，并为开关电源电磁干扰的进一步研究提出参考建议。
关键词开关电源 电磁干扰 抑制措施 耦合
目前，许多大学及科研单位都进行了开关电源EMI（Electromagnetic Interference）的研究，他们中有些从EMI产生的机理出发，有些从EMI 产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI 的抑制措施提出新的`参考建议。
一、开关电源电磁干扰的产生机理
开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明：
1、二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,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,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
2、开关管工作时产生的谐波干扰
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。
3、交流输入回路产生的干扰
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。
开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
4、其他原因
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
二、开关电源EMI的特点
作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度.
三、EMI测试技术
目前诊断差模共模干扰的三种方法：射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的
[1] [2] [3]
电源电磁干扰分析及其抑制
摘要：在介绍反激式开关电源及其性能的基础上，讨论了该电源中的网侧谐波及抑制，开关缓冲、光电隔离等问题。关键词：噪声；高次谐波；电磁干扰
引言
功率开关器件的高额开关动作是导致开关电源产生电磁干扰(EMI)的主要原因。开关频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的EMI问题。如何减小产品的EMI，使其顺利通过FCC或IEC1000等EMC标准论证测试，已成为目前急须解决的问题。
图1
1 EMI分析
具体电路如图1所示。
输入为交流220V，经功率二极管整流桥变为直流作为反激变换器的输入，输出为三组直流：＋5V，15V，12V，另外有一辅助电源5V，(本网网收集整理)用来给光耦PC817供电。控制电路用反馈控制，选用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。
开关电源工作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。开关电源的干扰按噪声源种类分为尖峰干扰和谐波干扰两种。使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法是削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。
本电路中，交流输入电压Ui经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容C12平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。如图2所示。
由图2中电流波形可知，电流中含有高次谐波。大量电流谐波分量流入电网，造成对电网的谐波污染。另外，由于电流是脉冲波，使电源输入功率因数降低。
2 EMI的抑制
2.1 高次谐波的抑制
在电路中采用共模扼流圈L11来抑制高次谐波。
对开关电源二根进线而言，存在共模干扰和差模干扰，如图3（a）及图3（b）所示。
在差模干扰信号作用下，干扰源产生的电流i，在磁芯中产生方向相反的磁通Φ，磁芯中等于没有磁通，线圈电感几乎为零。因此不能抑制差模干扰信号。
在共模干扰信号作用下，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。因此，这种接法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。
电路中在电网与整流桥之间插入一共模扼流圈，该扼流圈对电网频率的差模网侧电流呈现极低的阻抗，因而对电网的压降极低；而对电源产生的高频共模噪声，等效阻抗较高，因而可以得到希望的插入损耗。
2.2 扼流圈L11与C11组成低通滤波器
扼流圈L11的等效电感为L，以电源端作为输入，电网方向作为输出，则电路图如图4所示。
其传递函数幅值为
相位为
如图5所示。由此可见，以上LC网络组成的低通滤波器，可滤除ω0=1/
LC11以上的高次谐波。
2.3 共模和差模滤波器方案
本电路主要的EMI问题是电源噪声传入电网，将原来的共模扼流圈L11与电容C11及C12组成的滤波电路变为如图6所示电路。L1，L2，C1可除去差模干扰，L3，C2，C3可除去共模干扰。L1，L2为不易磁饱和的材料；C1可选陶瓷电容；L3为共模扼流圈；选定C=C2=C3及截止频率fo，则可根据L3=1/〔(2πfo)2C〕计算L3；选定C1及截止频率fo，可根据L1=L2=1/〔2(2πfo)2C1〕计算L1及L2。
2.4 缓冲电路
由于开关的快速通断，开关电流、电压波形为脉冲形式，产生噪声污染，增大了电源输出纹波，影响了电源的性能。
在电路中，输入为交流220V，经整流后电容上的电压约为交流有效值的1.2～1.4倍，即最大时为Ucm=220×1.4=308V。另外，变压器副边折合到原边的电压Up=Un×88/9，Un取副边第一绕组的电压，一般为9V左右，使稳压输出为5V。则Up=88V。因此，开关关断时所要承受的总电压Ut=Ucm＋Up=308＋88=396V。可见有必要对开关进行过压保护。电路选用的TOPSwitch开关芯片，其内部有过压保护和缓冲电路。为保险起见，还增加了外部的.缓冲电路，由R和C组成。
未加入缓冲电路和加入缓冲电路之后开关管电压ut和管电流ic及关断功耗pt的波形如图7(a)及图7（b）所示。加RC缓冲电路后，开关电压上升速率变慢，噪声减弱，抑制了EMI，并且开关功耗变小，使管子不致因过流过热而损坏。缓冲电路中的R在开关开通，电容C放电时起限流作用，避免对开关管的冲击。
对于开关开通时的电流冲击，由于有变压器原边线圈Np的限流，在电路中没加限流电感。
2.5 光电隔离
Flyback电路中使用PC817光耦对主电路和控制电路进行隔离。电源电路中，开关的控制非常重要，精度、稳定性要求高，且控制电路对噪声敏感，一旦有噪声，控制电路中的控制信号就会紊乱，严重影响电源的工作和性能。因此，用PC817将电源中的两部分进行隔离，这样便防止了噪声通过传导的途径传入到控制电路中。
3 结语
通过EMI分析及采用相应的抑制方法，设计的开关电源具有抗电磁干扰性强，电源稳定性高的特点。在缝纫机伺服控制系统中，满足了对三菱模块（IPM）的驱动控制，使电机运行安全可靠、稳定。
