開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生及其抑制

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源、電磁干擾、耦合通道、電磁屏蔽

1 引言

　　電磁兼容EMC是英文electro magnetic compatibility 的縮寫。它包括兩層含義，一是設(shè)備在工作中產(chǎn)生的電磁輻射必須限制在一定水平內(nèi)，二是設(shè)備本身要有一定的抗干擾能力，它必須具備三個(gè)要素：干擾源、耦合通道、敏感體。給電子線路供電的開關(guān)電源對(duì)干擾的抑制對(duì)保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文通過分析開關(guān)電源中的干擾源和耦合通道，提出了抑制干擾的有效措施。并提出了開關(guān)電源中開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)和制作方法。

2 開關(guān)電源中的干擾源和耦合通道

　　開關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經(jīng)過開關(guān)管的控制變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓，因此，自身含有大量的諧波干擾。同時(shí)，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁干擾。開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大（即 dV/dt或dI/dt很大）的元器件上，尤其是開關(guān)管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時(shí)，雜散電容會(huì)將電網(wǎng)的噪聲傳導(dǎo)到電子系統(tǒng)的電源而對(duì)電子線路的工作產(chǎn)生干擾。

　　這里我們來分析一下幾種干擾產(chǎn)生的原因及其耦合的路徑。

　　2.1輸入整流濾波電路產(chǎn)生的諧波干擾

　　開關(guān)電源輸入端普遍采用橋式整流，電容濾波電路。由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得輸入電流i成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流，如圖1所示。這種畸變的輸入電流，它除了基波外，還含有豐富的高次諧波分量。

　　2.2開關(guān)電路產(chǎn)生的干擾

　　如圖2a所示開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心也是主要的干擾源之一，它主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。開關(guān)管產(chǎn)生的dV/dt具有較大的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：

　　（1）在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和開關(guān)管本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關(guān)管的關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷尖峰電壓。這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸人輸出端，形成傳導(dǎo)干擾。

　　（2）輸出二極管在正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中V在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)頻率很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生反向電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。

　　（3）高頻變壓器初級(jí)線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

　　如圖2b所示，I1是變壓器初級(jí)線圈電流，I2是二次線圈電流，VDS是開關(guān)管漏源極間電壓，VD是二次側(cè)輸出二極管上兩端電壓。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)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。

　　2.3干擾的耦合通道

　　由于變壓器的初次級(jí)線圈間存在雜散電容，開關(guān)電路產(chǎn)生的共模干擾通過變壓器在原副邊相互傳播。相比較而言，差模干擾路徑比較簡單也易于處理。本文主要介紹共模干擾的產(chǎn)生和抑制。

3 抑制干擾的措施

　　下面就幾種干擾講我們制作開關(guān)電源時(shí)采用的抑制方法。

　　3.1電源輸入EMI濾波器

　　在電源進(jìn)線端通常采用如圖3所示電路。該電路對(duì)共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。

　　圖中各元器件的作用：

　　（1）L，C1，C2用于濾除共模干擾信號(hào)。

　　L是共模電感，通常電感量為2mH～33mH左右。

　　C1，C2為旁路電容，又稱Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過大會(huì)影響設(shè)備的絕緣性能。

　　（2）C3，C4用于濾除差模干擾信號(hào)。

　　C3，C4為電源跨接電容，又稱X電容。常用陶瓷電容或聚脂薄膜電容。電容量取0.22μF～0.47μF。

　　3.2開關(guān)管和輸出二極管的緩沖電路

　　由于開關(guān)管和輸出二極管的高速開關(guān)引起的干擾，可以通過增加緩沖電路來減小。如圖4所示：

　　（1） 圖4中C1，R1，D1組成snubber電路，吸收殘存在變壓器漏感中的能量，能夠減小開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓。

　　（2） 圖4中C2，R2，D2組成開關(guān)管緩沖電路，減小開關(guān)管的dV/dt，即減小由此產(chǎn)生的干擾。

　　（3） 圖4中C3，R3組成輸出二極管的緩沖電路，減小di/dt，另外輸出二極管應(yīng)采用肖特基或者超快速恢復(fù)二極管。

　　3.3高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作

　　變壓器是開關(guān)電源的最關(guān)鍵器件之一。變壓器不僅要設(shè)計(jì)合理，在制作上也很有講究。一個(gè)好的變壓器既要滿足帶負(fù)載能力，還要能起到減小和抑制干擾的作用。

　　首先應(yīng)根據(jù)輸出負(fù)載的大小選擇變壓器的類型和磁芯的型號(hào)。

　　確定變壓器的線徑及線數(shù)。依據(jù)Bobbin的槽寬并以電流密度6A/mm2為參考，綜合考慮電流的趨膚效應(yīng)，決定變壓器的線徑及線數(shù)。

　　根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，計(jì)算初次級(jí)繞組的電感量和匝數(shù)，如果是反激式電源還應(yīng)計(jì)算變壓器氣隙的大小，氣隙的大小決定了變壓器的帶負(fù)載能力，同時(shí)也會(huì)影響變壓器漏感的大小。而漏感是產(chǎn)生干擾的一個(gè)重要原因，在滿足帶負(fù)載能力的情況下，漏感以小些為好。

　　變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繞組分配。如圖5，變壓器有兩種常見的繞法：順序繞法和夾層繞法。順序繞法一般漏感為原邊電感量的5%左右，但由于初，次級(jí)只有一個(gè)接觸面，原副邊間雜散電容較小。夾層繞法一般漏感為原邊電感量的1-3%左右，但由于初，次級(jí)有兩個(gè)接觸面，原副邊間雜散電容較大。漏感是產(chǎn)生干擾的重要因素，原副邊間雜散電容是干擾的傳播通道，為抑制干擾，既要減小漏感又要減小原副邊間雜散電容。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體采用何種繞法應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而定。

　　變壓器的屏蔽層。在EMI干擾較強(qiáng)的情況下，常在變壓器的初次級(jí)之間加入一層屏蔽層，如圖6，通過加入屏蔽層切斷了初次級(jí)間雜散電容的路徑，讓其都對(duì)地形成電容，其屏蔽效果非常好，可以大為減小EMI，同時(shí)對(duì)于電網(wǎng)串入的瞬態(tài)干擾也有一定的抑制作用。但變壓器的制作工藝和成本都上升。屏蔽層有銅層和繞線層兩種，銅層的效果最佳。

　　輸出整流濾波

　　為了增加對(duì)干擾的濾波效果，可以在電源的二次輸出側(cè)加入二級(jí)濾波和一個(gè)共模電感。如圖7所示，L1，C1組成二級(jí)濾波電路，濾除差模干擾;L2是輸出共模電感，濾除輸出電壓中所含有的共模干擾。

　　3.5 PCB LAYOUT應(yīng)注意的問題

　　布線開關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。因此應(yīng)將所有通過高頻交流電流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。印制線的長度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。根據(jù)印制線路板電流的大小，應(yīng)盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。

4 結(jié)束語

　　我們在設(shè)計(jì)和制作反激式開關(guān)電源時(shí)，采用了上述措施，變壓器采用順序繞法帶銅層屏蔽層，輸出側(cè)加共模濾波電感后，+5V輸出電壓波形上的毛刺和紋波的峰峰值都小于60mV，而在采用這些措施前毛刺和紋波的峰峰值大于500mV。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)這些措施確實(shí)能夠?qū)Ω蓴_起到很好的抑制作用。抑制開關(guān)電源電磁干擾的措施還有很多，比如屏蔽技術(shù)、接地等等。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因數(shù)，盡可能抑制開關(guān)電源的各種噪聲，提高開關(guān)電源的電磁兼容性，使開關(guān)電源得到更廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.單片開關(guān)電源.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

　　[2] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2004

　　[3] Abraham I Pressman. Switching Power Supply Design. R.R.Donnelley & Sons Company，1991

　　[4] POWER INTEGRATIONS, INC. Application Note. PI , 1994