基于開關電源的電磁干擾問題研究和處理辦法

摘要：開關電源由于本身工作特性使得電磁干擾問題相當突出。從開關電源電磁干擾的模型入手論述了開關電源電磁兼容問題出現的原由及種類，并給出了常用的抑制開關電源電磁干擾的措施、濾波器設計及參數選擇。

0引言

近年來，開關電源以其效率高、體積小、輸出穩定性好的優勢而迅速發展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。國內已經以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，使得對開關電源在電磁兼容方面的要求更加具體和嚴格。如今，要怎么樣降低甚至消除開關電源的EMI問題已經成為全球開關電源設計師以及電磁兼容（EMC）設計師非常關注的問題。本文討論了開關電源電磁干擾形成的原由以及常用的EMI抑制辦法。

1開關電源的干擾源分解

開關電源出現電磁干擾最根本的原由，就是其在工作過程中出現的高di/dt和高dv/dt，它們出現的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。開關電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅動波形、MOSFET漏源波形等。關于矩形波，周期的倒數決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成干擾。

開關電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對開關電源控制電路的干擾等。另一類是開關電源自身出現的電磁噪聲，如開關管和整流管的電流尖峰出現的諧波及電磁輻射干擾。

如圖1所示，電網中含有的共模和差模噪聲對開關電源出現干擾，開關電源在受到電磁干擾的同時也對電網其他設備以及負載出現電磁干擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾）。進行開關電源EMI/EMC設計時一方面要戒備開關電源對電網和附近的電子設備出現干擾，另一方面要增強開關電源本身對電磁騷擾環境的適應能力。下面詳盡分解開關電源噪聲出現的原由和途徑。

圖1開關電源噪聲類型圖

1.1電源線引入的電磁噪聲

電源線噪聲是電網中各種用電設備出現的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾（Common-modeInterference）含義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾（Differential-modeInterference）含義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中Cp1為變壓器初、次級之間的分布電容，Cp2為開關電源與散熱器之間的分布電容（即開關管集電極與地之間的分布電容）。

圖2兩種干擾的等效電路

如圖2（a）所示，開關管V1由導通變為截止狀態時，其集電極電壓突升為高電壓，這個電壓會引起共模電流Icm2向Cp2充電和共模電流Icm1向Cp1充電，分布電容的充電頻率即開關電源的工作頻率。則線路*模電流總大小為（Icm1＋Icm2）。如圖2（b）所示，當V1導通時，差模電流Idm和信號電流IL沿著導線、變壓器初級、開關管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們設置電源線濾波器時要考慮到差模干擾和共模干擾的差別，在其傳輸途徑上使用差模或共模濾波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波效果。

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