開關電源的抗干擾設計

摘要：列舉了開關電源EMC設計的幾個問題，簡要敘述了抑制開關電源EMI的措施。

關鍵詞：電磁兼容；電磁干擾，濾波；抑制

1前言

電力電子技術的迅猛發展一方面帶動了電源技術的發展，另一方面也給電源產品提出了越來越高的要求。開關電源具有線性電源無可比擬的優勢：體積小、重量輕、效率高等。但是，功率密度的增大和頻率的提高所出現的電磁干擾對電源本身及周圍電子設備的正常工作都造成威脅。開關變換器本身具有一定的開關噪聲，從而會從電源的輸入端出現差模與共模干擾信號。電磁干擾的出現是由開關電源本身的特點所決定的，是難以戒備的，關鍵是要怎么樣采取有效的措施來減小其干擾程度。

電磁兼容(EMC)是指在有限的空間、時間和頻率范圍內各種電器設備共存而不引起性能下降。它包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面的內容。EMI是指電器產品向外發出干擾，EMS是指電器產品抵抗電磁干擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設備應既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對周圍環境造成電磁干擾。

2開關電源的EMC設計

開關電源的EMC設計應考慮以下幾個方面：

1）濾波器

2）高頻變壓器

3）軟開關技術4）共模干擾的有源抑制

5）印制線路板布線的EMC設計

3EMC的設計措施

3.1濾波器

濾波是一種抑制傳導干擾的辦法。例如在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源出現并向電網反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的緊要單元，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其緊要的用途。它不僅可抑制傳輸線上的傳導干擾，同時對傳輸線上的輻射發射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環，能夠改善電路的濾波特性。適當的設計或選擇適宜的濾波器，并正確地安裝濾波器是抗干擾技術的緊要組成部分，詳盡措施如下：1）在交流電輸入端加裝電源濾波器，其電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100～700μH,Cd取1～10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可依據實際情況加以調整。

所有電源濾波器都非得接地（廠家特別說明準許不接地的除外），因為濾波器的共模旁路電容非得在接地時才起用途。一般的接地辦法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導線將濾波器外殼

圖1電源濾波器

與設備的接地點相連。接地阻抗越低濾波效果越好。

濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，戒備干擾信號從輸入端筆直耦合到輸出端。

2）在電源輸出端加輸出濾波器。加裝高頻電容，加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，可以抑制差模噪聲。倘若把多個電容并聯，則效果會更好。3.2高頻變壓器

在高頻變壓器的原邊、副邊、開關管的C、E極間以及在輸出整流二極管上加裝RC吸收網絡。

3.3軟開關技術

軟開關技術的使用有助于電磁干擾的降低，這是因為功率MOSFET、IGBT在零電壓情況下導通和零電流情況下關斷，且快速恢復二極管也是軟關斷，可以減小功率電路中功率器件的di/dt和dv/dt，從而可以減小EMI電平。通過試驗證明軟開關技術只在抑制紋波的高次諧波上有一定效果。

3.4共模干擾的有源抑制技術

共模干擾有源抑制技術是一種從噪聲源采取措施來抑制共模干擾的辦法。這種辦法的思路是設法從主電路中取出一個與導致EMI的緊要開關電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓，并用它去平衡原開關電壓的影響。

3.5印制線路板

踐行證明，印制板的元器件布置和布線設計對開關電源EMC性能有極大的影響，在高頻開關電源中，由于印制板上既有電平為±5V、±15V的小信號控制線，又有高壓電源母線，同時還有一些高頻功率開關、磁性元件，要怎么樣在印制板有限的空間內合理地安排元器件位置，將筆直影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。

3.5.1導線阻抗的影響

通過分解印制導線的特性阻抗，來選取印制導線的放置方式、長度、寬度以及布局方式。

單根導線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成

Z=R＋jωL（1）L=2lln（2）

式中：l——導線長度；

b——導線寬度。

顯然，印制線l越短，直流電阻R就越小；同時新增印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。

從式（2）可看出，印制線長度l越短，自感L就越小,而且新增印制線的寬度b也可降低自感L。而多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，而互感M除受印制線的長度和寬度影響外，印制線之間距也起著緊要的用途。M=2l（3）

式中：s——兩線之間的距離，增大兩線的間距可減少互感。

針對以上現象，在設計印制電路板時，應盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其它印制線都有電感，當電源電流變化較大時，將會出現較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的緊要因素，所以應盡量縮短地線，也可盡量加粗電源線和地線線條。

在雙面印制板設計中，除盡可能地加粗電源線和地線線條之外，還應在地線和電源線之間安裝高頻特性好的去耦電容。另外，切忌兩條印制信號線平行走線。倘若平行走線無法戒備，可通過以下辦法來補救：1）在兩條信號線之間加一條地線，以起屏蔽用途；

2）盡量拉開兩條平行信號線之間的距離，以降低兩線之間電磁場的影響；

3）使兩條平行的信號線流過的電流方向相反。（目的在于減小感應磁通）

3.5.2元器件的布局

在設計印制電路板時，通常干擾源和受擾體由于受到工作條件的限制而難以戒備。這時，應盡量將相互關聯的元器件擺放在一起以戒備因器件離的太遠而造成印制線過長所帶來的干擾;再者將輸入信號和輸出信號盡量放置在引線端口附近，以戒備因耦合路徑而出現的干擾。

4結構上的措施

屏蔽是處理電磁兼容問題的緊要且有效的手段

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電磁兼容

之一。目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來處理，用電磁屏蔽的辦法處理電磁干擾問題不會影響電路的正常工作。

關于開關電源來說，緊要是做好機殼屏蔽，高頻變壓器屏蔽，開關管和整流二極管的屏蔽。

5結語

通過采取以上措施，可大大減小電源的紋波，我們設計的加固機電源紋波＋噪聲由原來的150～200mV減小到今朝的15～30mV。使開關電源的適用范圍更加廣泛。

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