開關電源電磁干擾分析及抑制

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1、開關電源電磁干擾分析及抑制（2005-6-3）　　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產(chǎn)生的原因及種類，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(shù)選擇。
　　關鍵詞：開關電源；電磁干擾；分析與抑制0引言　　近年來，開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速發(fā)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(nèi)已經(jīng)以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證

2、，使得對開關電源在電磁兼容方面的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開關電源的EMI問題已經(jīng)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因以及常用的EMI抑制方法。1開關電源的干擾源分析　　開關電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生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

3、多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅(qū)動波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)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(shù)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?！　￠_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(wǎng)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產(chǎn)生的電磁噪聲，如開關管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧

4、波及電磁輻射干擾?！　∪鐖D1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對開關電源產(chǎn)生干擾，開關電源在受到電磁干擾的同時也對電網(wǎng)其他設備以及負載產(chǎn)生電磁干擾（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設計時一方面要防止開關電源對電網(wǎng)和附近的電子設備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強開關電源本身對電磁騷擾環(huán)境的適應能力。下面具體分析開關電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。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(wǎng)中各種用電設備產(chǎn)生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

5、擾、差模干擾。共模干擾（Common-modeInterference）定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）定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）。（a）共模干擾（b）差模干擾圖2兩種干擾的等效電路　　如圖2（a）所示，開關管V1由導通變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，其集電極電壓突升

6、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。則線路中共模電流總大小為（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區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波

7、效果。1.2輸入電流畸變造成的噪聲　　開關電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導通角變小，輸入電流i成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴重的諧波污染，對電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開關電源對電網(wǎng)的污染以及實現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的部分。圖3未加PFC電路的輸入電流和電壓波形1.3開

8、關管及變壓器產(chǎn)生的干擾　　主開關管是開關電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強度相關。隨著開關管的工作頻率升高，開關管電壓、電流的切換速度加快，其傳導干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當也會造成電磁干擾。　　開關電源工作過程中，由初級濾波大電容、高頻變壓器初級線圈和開關管構(gòu)成了一個高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會產(chǎn)生較大的輻