開關電源中電磁干擾的產生及其抑制
摘要：電磁干擾對開關電源的效率和安全性及使用的影響日益成為人們關注的熱點。本文分析了開關電源中電磁干擾產生的原因和傳播路徑，并提出了抑制干擾的有效措施。
關鍵詞：開關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electromagneticcompatibility的縮寫。它包括兩層含義，一是設備在工作中產生的電磁輻射必須限制在一定水平內，二是設備本身要有一定的抗干擾能力，它必須具備三個要素：干擾源、耦合通道、敏感體。給電子線路供電的開關電源對于干擾的抑制對保證電子系統的正常穩定運行具有重要意義。本文通過分析開關電源中的干擾源和耦合通道，提出了抑制干擾的有效措施。并提出了開關電源變壓器的設計和制作方法。
2、開關電源中的干擾源和耦合通道
開關電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經過開關管的控制變為高頻，最后經過整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓，因此，自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都會產生不同程度的電磁干擾。開關電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開關管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時，雜散電容會將電網的噪聲傳導到電子系統的電源而對電子線路的工作產生干擾。
這里我們來分析一下幾種干擾產生的原因及其耦合的路徑。
2.1輸出整流濾波電路產生的濾波干擾開關電源輸出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能作用，使得輸出電流成為一個時間很短、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開關電路產生的干擾
如圖2a所示開關電路的核心也是主要的干擾源之一，它主要由開關管和高頻變壓器組成。開關管產生的dv/dt具有較大的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是：
（1）在開關管導通瞬間，變壓器初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；在開關斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和開關管本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關管的關斷電壓上，形成關尖峰電壓。這個噪音聲會傳導到輸入輸出端，形成傳導干擾。（2）輸出二極管在正向導通時，PN接內的電荷被積累，二極管加反向電壓時積累的電荷將消失并產生反向電流。由于二次整流回路中V在開關轉換時頻率很高，即由導通轉變為截止的時間很短，在短時間內要讓存儲電荷消失就產生反向電流的浪涌。由于直流輸出中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減減振蕩。
（3）高頻變壓器初級線圈，開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。
如圖2b所示，I1是變壓器初級線圈電流，I2是二次線圈電流，VDS是開關管漏源極間電壓，VD是二次側輸出二極管上兩端電壓。開關管關獨斷時產生頻率為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線圈間存在雜散電容，開關電路產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電源時的抑制方法。
3.1電源輸入EMI濾波器在電源進線端通常采用如圖3所示電路。該電路對共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。圖中各元件的作用：
（1）L，C1，C2用于濾除共模干擾信號。
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。電容量過大會影響設備的絕緣性能。（2）C3，C4用于濾除差模干擾信號。
C3，C4為電源跨接電容，又稱X電容。常用陶瓷電容或聚酯薄膜電容。電容量取0.22μF-0.47μF。3.2開關管和輸出二極管的緩沖電路
由于開關管和輸出二極管的高速開關引起的干擾，可以通過增加緩沖電路來減少。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，能夠減少開關關斷時的浪涌電壓。
（2）圖4中C2，R2，D2組成開關管緩沖電路，減少開關管的dv/dt，即減少由此產生的干擾。（3）圖4中C3，R3組成輸出二極管的緩沖電路，減少di/dt，另外輸出二極管應采用肖特基或者超快速恢復二極管。
3.3高頻變壓器的設計和制作
變壓器是開關電源的最關鍵器件之一。變壓器不僅要設計合理，在制作上也很有講究。一個好的變壓器既要滿足帶負荷能力，還要能起到較少和抑制干擾的作用。首先應根據輸出負載的大小選擇變壓器的類型和磁芯的型號。
確定變壓器的線徑及線數。依據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，決定變壓器的線徑及線數。
根據電路的拓撲結構和設計要素，計算初次級繞組的電感量，如果是反激式電源還應計算變壓器氣隙的大小，氣隙的大小決定了變壓器的帶負載能力，同時也會影響變壓器漏感的大小。而漏感是產生干擾的一個重要原因，在滿足帶負載能力的情況下，漏感以小些為好。
變壓器的結構設計和繞組分配。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，次級只有一個接觸面，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，次級只有一個接觸面，原副邊間雜散電容較大。漏感是產生干擾的重要因素，原副邊間雜散電容是干擾的傳播通道，為抑制干擾，既要減少漏感又要減小漏感原副邊間雜散電容。因此，設計時應綜合考慮這兩個方面進行設計，具體采用何種繞法應該根據實際情況而定。
變壓器的屏蔽層。在EMI干擾較強的情況下，常在變壓器的初次級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間雜散電容的路徑，讓其都對地形成電容，其屏蔽效果非常好，可以大為減少EMI，同時對于電網串入的瞬態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干擾的濾波效果，可以在電源的二次輸出側加入二級濾波和一個共模電感。如圖7所示，L1，C1組成二級濾波電器，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。
3.5PCBLAYOUT應注意的問題
布線開關電源中包含有高頻信號，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影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應。因此應將所有通過高頻交流的電流和印制線設計得盡可能短而寬，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的很近。印制線的長度與其表現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。根據印制線路經電流的大小，應盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。
4、結束語
我們在設計和制作反激式開關電源時，采用了上述措施，變壓器采用順序繞法帶銅屏蔽層，輸出側加共模濾波電感后，+5v輸出電壓波形上的毛刺和紋波的峰值都小于60Mv，而在才用這些措施前毛刺和紋波的峰值大于500Mv。通過比較，我們發現這些措施確實能夠對干擾起到很好的作用。抑制開關電源電磁干擾的措施還有很多，比如屏蔽技術、接地等等。在設計開關電源時應綜合考慮各種因數，盡可能抑制開關電源的各種噪音，提高開關電源的電磁兼容性，使開關電源得到更廣泛的應用。參考文獻[1]周志敏，周紀海，紀愛華，單片開關電源北京：電子工業出版社，2004.[2]張占松，蔡宣三。開關電源的原理與設計北京：電子工業出版社，2004.[3]AbrahamIPressmanSwitchingPowerSupplyDonnelleySonsCommpany，1991.[4]POWERINTEGRATIONS，INC.ApplicationNote.PI，1994.
采用變壓器的供電電源體積較大，在一些要求小體積的制作中難以使用。本文介紹的小型無變壓器電源，能提供３～１５Ｖ的電壓，最大電流１５０ｍＡ，可滿足小型電子設備的供電需要。
電路如圖所示，２２０Ｖ經Ｄ２整流Ｃ１濾波，作為Ｑ１的導通驅動電壓，當２２０Ｖ正半周開始、但Ｗ滑動端上電壓尚未足夠大時，Ｑ２處于截止狀態，Ｃ１上的電壓經Ｒ４加在Ｑ１的柵極使Ｑ１導通，２２０Ｖ正半周經Ｄ１、Ｒ５、Ｑ１對電容Ｃ２快速充電。當Ｗ滑動端的電壓升到足以使Ｄ３和Ｑ２導通時，Ｑ１柵極失去電壓而截止。調節Ｗ即可調節對Ｃ２的充電時間，也就調節了輸出電壓。由于Ｑ１的導通時間極短，因此Ｃ２選用了大容量電容，以保證有較平滑的輸出電壓。
電路中Ｒ５是限流電阻，可減小對Ｃ２充電電流的峰值。穩壓管Ｄ５是為了防止Ｑ１因柵極電壓過高損壞而設。Ｄ４用作輸出保護，當Ｃ２兩端電壓過高時Ｄ４、Ｑ２導通，使Ｑ１截止。因在市電的負半周時電路不工作，為了加大輸出電流，可在輸入端加接一整流橋，使市電的正負半周都能得到利用，這樣可使輸出電流增加８０ｍＡ，同時還能改善輸出電壓的平滑度。在實際應用時可將電位器Ｗ、Ｒ３用一個固定電阻代替。在輸出電壓穩定度要求高時，可加接三端穩壓ＩＣ。
此電路簡單，只要焊接無誤即可工作。該電路無隔離措施，使用時電源的Ｌ線、Ｎ線不要接錯。
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