你知道吗？开关电源产生电磁干扰的技术原因

一、开关电源产生干扰的原因

开关电源首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压，因此自身含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都形成了潜在的电磁干扰。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上，突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。

①开关电路产生的电磁干扰

开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。

这种脉冲干扰产生的主要原因是：开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电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。

电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型电磁干扰，既影响变压器初级，还会使传导干扰返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全和经济运行。

②整流电路产生的电磁干扰

整流电路中，在输出整流二极管截止时有一个反向电流，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的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其他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。

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）。

③高频变压器

高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。

需要注意的是，在二极管整流电路产生的电磁干扰中，整流二极管反向恢复电流的di/dt远比续流二极管反向恢复电流的di/dt大得多。作为电磁干扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大、频带宽。

④分布电容引起的干扰

开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。一方面，散热片与开关管集电极间的绝缘片接触面积较大，且绝缘片较薄，因此两者间的分布电容在高频时不能忽略。

高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；另一方面，脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可将原边电压直接耦合到副边上，在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

⑤杂散参数影响耦合通道的特性

在传导干扰频段（<30MHz），多数开关电源干扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻、电容、电感乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高。

二、开关电源电磁干扰的控制技术

要解决开关电源的电磁干扰问题，可从3个方面入手：

1）减小干扰源产生的干扰信号；

2）切断干扰信号的传播途径；

3）增强受干扰体的抗干扰能力。因此，开关电源电磁电磁干扰要控制技术主要有：电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。

①减少开关电源本身的干扰

● 软开关技术：在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件，利用电感和电容的谐振，降低开关过程中的du/dt和di/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升，或关断时电流的下降先于电压的上升，来消除电压和电流的重叠。

● 开关频率调制技术：通过调制开关频率fc，把集中在fc及其谐波2fc、3fc…上的能量分散到它们周围的频带上，以降低各个频点上的EMI幅值。该方法不能降低干扰总量，但能量被分散到频点的基带上，从而使各个频点都不超过EMI规定的限值。为了达到降低噪声频谱峰值的目的，通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。

● 共模干扰的有源抑制技术：设法从主回路中取出一个与导致电磁干扰的主要开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压，并用它去平衡原开关电压。

● 减小电磁干扰的缓冲电路：其由线性阻抗稳定网络组成，作用是消除在供电电力线内潜在的干扰，包括电力线干扰、电快速瞬变，电涌，电压高低变化和电力线谐波等。这些干扰对一般稳压电源来说，影响不是很大，但对高频开关电源的影响显著。

● 滤波：EMI滤波器的主要目的之一，就是要在150kHz～30MHz的频段范围获得较高的插入损耗，但对频率为50Hz工频信号不产生衰减，使额定电压、电流顺利通过，同时还必须满足一定的尺寸要求。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。

● PCB设计：PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地，其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。开关电源布局的最佳方法与其电气设计类似。在确定PCB的尺寸形状后，再确定特殊元器件（如各种发生器、晶振等）的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

● 元器件的选择：选择不易产生噪声、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值得注意的是，二极管和变压器等绕组类元器件的选用。反向恢复电流小、恢复时间短的快速恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。

②切断干扰信号的传播途径—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。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。

③增强敏感电路的抗干扰能力

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。

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