浅谈开关电源中电磁干扰的产生及其抑制措施

蔡卫兵

[摘要]电磁干扰对开关电源的效率、安全性及使用的影响日益成为人们关注的热点。本文先分析了开关电源产生电磁干扰的机理，并就目前几种有效的开关电源电磁干扰措施进行了分析比较，且为开关电源电磁干扰的抑制的进一步研究提出了参考建议。

[关键词]开关电源 电磁干扰 抑制措施 改进措施

开关电源EMI（Electro magnetic Interference），就是通过用电子线路组成开关式（方波）震荡电路来达到对电能的转换。这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电脑电源可以在80V～240V都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。随着开关电源应用领域的不断扩大，其电磁干扰已成为一个很严重的问题，开关电源的功率管工作在非线性条件下，采用脉宽调制（PWM）开关控制方式，加之开关频率的不断提高，使得电磁干扰越来越突出，对电网造成污染。因干扰的存在，输入电源的电网受到了干扰，影响到其它设备，使其不能正常的工作，也影响到电网的供电质量。所以，寻找干扰抑制的方法是很必要的。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI的抑制措施提出新的参考建议。

一、开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源首先将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。因此，自身含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都会产生不同程度的电磁干扰。开关电源中的干扰主要集中在电压、电流变化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明:

1.二极管的反向恢复时间引起的干扰;

2.开关管工作时产生的谐波干扰;

3.交流输入回路产生的干扰;

4.其他原因。

元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

二、开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线，具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

三、目前抑制干扰的几种措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因此，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们的确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

1.采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连。

在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则。如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声，实际上很难实现“一点接地”。因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。

2.滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。

EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施，可以滤除多种原因产生的传导干扰。测试表明，只要适当选择元器件的参数，便可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。

四、目前开关电源EMI抑制措施的不足之处

现有的抑制措施大多从消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径出发。这的确是抑制干扰的一种行之有效的办法，但很少有人涉及直接控制干扰源，消除干扰，或提高受扰设备的抗扰能力。殊不知后者还有许多发展的空间。

五、改进措施的建议

我认为目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰，已渐进成熟。我的视点要回到开关电源器件本身来，在电路方面要注意以下几点:

1.印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点;ＰＣＢ布线时，高频数字信号线要用短线，主要信号线最好集中在ＰＣＢ板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次，根据印制线路经电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。再次，可以根据耦合系数来布线，尽量减少干扰耦合。

2.印制板的电源线和地线印制条尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。

3.器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响。

4.在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径，如用10μＦ铝电解和0.1μＦ电容并联接在电源脚上。对于高速数字ＩＣ的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容，因为钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。

六、结论

产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用。

参考文献:

[1]周志敏,周纪海,纪爱华.单片开关电源.北京电子工业出版社,2004.

[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京电子工业出版社,2004.