如何減少開關(guān)電源中的電磁干擾

開關(guān)電源也叫交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。

開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。通常傳導(dǎo)干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學(xué)知識(shí)結(jié)合起來，對(duì)電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究;但對(duì)輻射干擾而言，由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場(chǎng)理論，分析起來比較困難。

傳導(dǎo)干擾可分為共模（CM）干擾和常模（DM）干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和常模干擾。

變換器工作在高頻情況時(shí)，由于dvldt很高，激發(fā)變壓器繞組間以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生共模干擾。

根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用以下幾種抑制方法：

（1）優(yōu)化電路元器件布置，盡量減少寄生、糯合電容。

（2）延緩開關(guān)的開通、關(guān)斷時(shí)間，但這與開關(guān)電源高頻化的趨勢(shì)不符。

（3）應(yīng)用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸人、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的dv/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)出干擾電壓，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生常模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低常模干擾。

輻射干擾又可分為近場(chǎng)干擾［測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離《λ/6（λ為干擾電磁波波長(zhǎng)）］和遠(yuǎn)場(chǎng)干擾（測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離》λ/6）。由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生電磁場(chǎng)的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線都可以認(rèn)為是天線，可以應(yīng)用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時(shí)，二極管、開關(guān)管、電容等可看成電偶極子;電感線圈可以認(rèn)為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場(chǎng)理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。相位不同，一是因?yàn)楦蓴_從干擾源傳播到測(cè)量點(diǎn)存在時(shí)延作用（也稱遲滯效應(yīng)）;二是因?yàn)樵骷旧淼奶匦詫?dǎo)致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯后。遲滯效應(yīng)引起的相位滯后是信號(hào)頻率作用的結(jié)果，僅在頻率很高時(shí)作用才較明顯（如GHz級(jí)或更高）;對(duì)于功率電子器件而言，頻率相對(duì)較低，故遲滯效應(yīng)作用不是很大。

在開關(guān)電源產(chǎn)生的兩類干擾中，傳導(dǎo)干擾由于經(jīng)電網(wǎng)傳播，會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，往往引起更嚴(yán)重的問題。常用的抑制方法有緩沖器法，減少搞合路徑法，減少寄生元件法等。近年來，隨著對(duì)電子設(shè)備電磁干擾的限制越來越嚴(yán)格，又出現(xiàn)了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無源緩沖電路的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。

調(diào)制頻率控制

干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關(guān)頻率點(diǎn)上，所以很難滿足抑制電磁干擾（EMI）的要求。通過將開關(guān)信號(hào)的能量調(diào)制分布在一個(gè)很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而更容易達(dá)到EMI標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制頻率控制就是根據(jù)這種原理實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源電磁干擾的抑制。

最初人們采用隨機(jī)頻率控制，其主要思想是在控制電路中加入一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)間隔進(jìn)行不規(guī)則變化。則開關(guān)噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲，其峰值大大下降。具體辦法是，由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩種不同占空比的脈沖，再與電壓放大器產(chǎn)生的誤差信號(hào)進(jìn)行采樣選擇產(chǎn)生最終的控制信號(hào)。

但是，隨機(jī)頻率控制在開通時(shí)基本上采用PWM控制的方法，在關(guān)斷時(shí)才采用隨機(jī)頻率，因而其調(diào)制干擾能量不便控制，抑制干擾的效果不是很理想。而最新出現(xiàn)的調(diào)制頻率控制很好地解決了這些問題，其原理是，將主開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻帶周圍產(chǎn)生一系列的邊頻帶，從而將噪聲能量分布在很寬的頻帶上，降低了干擾。這種控制方法的關(guān)鍵是對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制，使開關(guān)能量分布在邊頻帶的范圍，且幅值受調(diào)制系數(shù)β的影響（調(diào)制系數(shù)β=△f/fm，△f為相鄰邊頻帶間隔，fm為調(diào)制頻率），一般β越大調(diào)制效果越好。

無源緩沖電路設(shè)計(jì)

開關(guān)變換器中的電磁干擾是在開關(guān)管開關(guān)時(shí)刻產(chǎn)生的。以整流二極管為例，在開通時(shí)，其導(dǎo)通電源不僅引起大量的開通損耗，還產(chǎn)生很大的dvl巾，導(dǎo)致電磁干擾;而在關(guān)斷時(shí)，其兩端的電壓快速升高，有很大的dvl巾，從而產(chǎn)生電磁干擾。緩沖電路不僅可以抑制開通時(shí)的dvldt、限制關(guān)斷時(shí)的dvl白，還具有電路簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的緩沖電路中往往采用有源輔助開關(guān)，電路復(fù)雜不易控制，并有可能導(dǎo)致更高的電壓或電流應(yīng)力，降低了可靠性。因此許多新的無源緩沖器應(yīng)運(yùn)而生。
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