開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制方法設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和功率器件的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源以其體積小，重量輕，高性能，高可靠性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)生活和社會(huì)的建設(shè)提供了很大幫助。但是，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，處于同一工作環(huán)境的各種電子、電氣設(shè)備的距離越來(lái)越近，電子電路工作的外部環(huán)境進(jìn)一步惡化。由于開(kāi)關(guān)電源工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號(hào)不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染，還直接影響到其他用電設(shè)備甚至電源本身的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，造成電磁污染，制約著人們的生產(chǎn)和生活。

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80一90年代，為了加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電磁污染的治理，制定了一些與CISPR標(biāo)準(zhǔn)、IEC801等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。自從2003年8月1日中國(guó)強(qiáng)制實(shí)施3C認(rèn)證（china compulsory certification）工作以來(lái)，掀起了“電磁兼容熱”，近距離的電磁干擾研究與控制愈來(lái)愈引起電子研究人員們的關(guān)注，當(dāng)前已成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。本文將針對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理系統(tǒng)地論述相關(guān)的抑制技術(shù)。

l 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾應(yīng)從這三方面人手。抑制干擾源、消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射、提高受擾設(shè)備的抗擾能力，從而改善開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性能的目的。

1．1 采用濾波器抑制電磁干擾

濾波是抑制電磁干擾的重要方法，它能有效地抑制電網(wǎng)中的電磁干擾進(jìn)入設(shè)備，還可以抑制設(shè)備內(nèi)的電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中安裝開(kāi)關(guān)電源濾波器，不但可以解決傳導(dǎo)干擾問(wèn)題，同時(shí)也是解決輻射干擾的重要武器。濾波抑制技術(shù)分為無(wú)源濾波和有源濾波2種方式。

1．1．1 無(wú)源濾波技術(shù)

無(wú)源濾波電路簡(jiǎn)單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無(wú)源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導(dǎo)發(fā)射。開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的無(wú)源濾波器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會(huì)產(chǎn)生脈沖尖峰電流，這個(gè)電流由非常多的高次諧波電流組成，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾；另外電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或截止、變壓器的初級(jí)線圈都會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流。由于電流變化率很高，對(duì)周?chē)娐窌?huì)產(chǎn)生出不同頻率的感應(yīng)電流，其中包括差模和共模干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)可以通過(guò)2根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設(shè)備。圖中差模濾波部分可以減少開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的差模干擾信號(hào)，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應(yīng)定律，得E=Ldi／dt，其中：E為L(zhǎng)兩端的電壓降；L為電感量；di／dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。

脈沖電流回路通過(guò)電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)為共模信號(hào)；開(kāi)關(guān)電源電路中開(kāi)關(guān)管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，電路會(huì)產(chǎn)生位移電流，而這個(gè)位移電流也屬于共模干擾信號(hào)。圖1*模濾波器就是用來(lái)抑制共模干擾，使之受到衰減。

1．1．2 有源濾波技術(shù)

有源濾波技術(shù)是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施（如圖2所示），其基本思想是設(shè)法從主回路中取出一個(gè)與電磁干擾信號(hào)大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)去平衡原來(lái)的干擾信號(hào)，以達(dá)到降低干擾水平的目的。如圖2所示，利用晶體管的電流放大作用，通過(guò)把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來(lái)濾波。R1，C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外，在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當(dāng)，安裝方法要正確，才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用。

1．2 屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)

采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽技術(shù)分為對(duì)發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開(kāi)關(guān)電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周?chē)捎勉~板或鐵板作為屏蔽，以使電磁波產(chǎn)生衰減。

此外，為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，應(yīng)采取整體屏蔽。可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時(shí)應(yīng)充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入／輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結(jié)構(gòu)成本大幅度增加等因素。

為使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強(qiáng)屏蔽效果，同時(shí)保障人身和設(shè)備的安全，應(yīng)將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術(shù)。接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計(jì)。這一過(guò)程是至關(guān)重要的，將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)可以更好地解決電磁干擾問(wèn)題，又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。

1．3 PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

為更好地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，其印制電路板（PCB）的抗干擾技術(shù)尤為重要。為減少PCB的電磁輻射和PCB上電路間的串?dāng)_，要非常注意PCB布局、布線和接地。如減少輻射干擾是減小通路面積，減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，采用靜電屏蔽。而抑制電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合，應(yīng)盡量增大線間距離。

在開(kāi)關(guān)電源中接地是抑制干擾的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3種基本類(lèi)型。地線設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：交流電源地與直流電源地分開(kāi)；功率地與弱電地分開(kāi)；模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開(kāi)；盡量加粗地線。

1．4 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)尤其是方波來(lái)說(shuō)，其能量主要分布在基頻信號(hào)和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級(jí)數(shù)降低。由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍，通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)將諧波能量分布在一個(gè)更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強(qiáng)度也應(yīng)該相應(yīng)降低。要在開(kāi)關(guān)電源中采用擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)，需要對(duì)該電源開(kāi)關(guān)脈沖控制電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成擴(kuò)頻時(shí)鐘（如圖3所示）。與傳統(tǒng)的方法相比，采用擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源EMI既高效又可靠，無(wú)需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理，也不會(huì)對(duì)電源的效率帶來(lái)任何負(fù)面影響。

1．5 一次整流電路中加功率因數(shù)校正（PFC）網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于直流穩(wěn)壓電源，電網(wǎng)電壓通過(guò)變壓器降壓后直接通過(guò)整流電路進(jìn)行整流，所以整流過(guò)程中產(chǎn)生的諧波分量作為干擾直接影響交流電網(wǎng)的波形，使波形畸變，功率因數(shù)偏低。為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，將功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中是非常必要的。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波，從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，提高了開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)。其中無(wú)源功率因數(shù)校正電路是利用電感和電容等元件組成濾波器，將輸入電流波形進(jìn)行移相和整形過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的。而有源功率因數(shù)校正電路是依據(jù)控制電路強(qiáng)迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。兩種方法均使功率因數(shù)提高，后者效果更加明顯，但電路復(fù)雜。

2 結(jié)語(yǔ)

本文的設(shè)計(jì)方法正確，仿真結(jié)果正常，克服了傳統(tǒng)方案中所存在的一些問(wèn)題，使電磁干擾的抑制技術(shù)得到進(jìn)一步優(yōu)化。從開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)看，有多種方式可抑制電磁干擾，除本文中分析的幾種主要方法外，還可以采用光電隔離器、LSA系列浪涌吸收器、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等。抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，目的是使其能在各領(lǐng)域得到有效應(yīng)用的同時(shí)，盡量減少電磁污染，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁污染問(wèn)題的有效治理。而在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面考慮開(kāi)關(guān)電源的各種電磁干擾，選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用，使電磁干擾降到最低，從而提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。