开关电源对设备EM I的影响及抑制方法

欧阳昕，文同心，赵鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

环境适应性和可靠性

开关电源对设备EM I的影响及抑制方法

欧阳昕，文同心，赵鼎鼎

（中船重工第七○四研究所，上海 200031）

随着开关电源在各领域的广泛应用，由其导致的电磁发射问题也越来越引起关注。本文以开关电源的基本工作原理为基础，按其内部的各部分电路组成分别分析了电磁干扰的产生机理，并简要介绍了几种抑制由开关电源引起的电磁干扰的措施。

开关电源；电磁发射；抑制

概述

随着全球能源日益紧张，设备、产品的耗能问题也越来越受重视，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（一般只有40%～50%）、体积大、铜铁消耗量大、可调范围小、发热量大等缺点。为了提高效率，开关式稳压电源应运而生，它的效率可达85%以上，并且稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源，随着它的纹波系数等参数的进一步改善，开关电源已广泛应用于科研设备、工业自动化控制、电力设备、通讯、照明等诸多领域。

开关电源是利用电力电子器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路使电力电子器件不停地“开”和“关”，来对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。它通常在20kHz以上的开关频率下工作，当电力电子器件断开时，其两端就会产生浪涌电压V（du/ dt），当电力电子器件导通时其上将流过浪涌电流C（di/ dt），形成较强的电磁干扰源。随着开关电源模块化发展，开关频率将提高到MHZ的数量级，电磁干扰更加严重。开关电源噪声干扰为高频振荡噪声和浪涌噪声，其传导模式表现为差模噪声和共模噪声，同时还向周围空间辐射噪声。

1 开关电源的工作原理

开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路和辅助电源四大部分组成。图1是开关电源的基本工作原理框图。

交流电首先通过输入滤波电路过滤电网中存在的杂波，该滤波电路同时也防止开关电源产生的谐波回馈入电网，再经整流桥将过滤后的交流电整流为较平滑的直流电，之后再通过高频变换电路将整流后的直流电转换成所需电压值的方波，这是开关电源的核心部分，最后再将这个方波电压经输出整流滤波电路变为所需要的直流电压。同时控制电路会从输出端取样，与设定的基准电压进行比较，去控制脉冲宽度调制器，改变其脉宽，即调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的，另一方面，控制电路也根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，对电源提供各种保护措施。

2 开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源中电力电子器件的高频开关动作是导致其产生电磁发射（EMI）的主要原因。开关频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面使得EMI问题更为严重。开关电源工作时，开关管的高频导通与关断，会产生尖峰脉冲电压和浪涌电流，谐波频率非常复杂，这些高频的变化信号是主要的干扰源。下面结合原理图分析几个主要的干扰源。

2.1 输入滤波整流电路产生的干扰

由（1）式可以看出，整流后的电压并不是纯净的直流，而是包含了丰富的高次谐波分量，这些谐波分量将通过导线产生传导发射，并且通过导线传播时，会在空间产生电场和磁场而造成辐射发射。

图1 开关电源的基本工作原理框图

同时，由于整流桥中的二极管正向导通时，大量载流子积累在PN结内，而当二极管加反向电压时，PN结内积累的载流子将急剧释放而形成一个很大的电流变化（di/dt），这使得输出电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，会产生一定程度的电磁干扰。

2.2 高频变换电路产生的干扰

高频变换电路是开关电源的核心也是主要的干扰源之一，这部分主要由开关管和高频变压器组成。

开关管高频的通、断将导致电压和电流的跳变。开关管在导通时，由于开通时间很短以及逆变回路中寄生电感的耦合作用，将产生很大的du/dt突变和很高的浪涌电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di/dt突变和很高的尖峰电流，这些浪涌电压和尖峰电流会产生很强的电磁干扰。

同时，在开关管导通瞬间，高频变压器初级线圈的两端会出现浪涌电压；在开关管关断瞬间，由于初级线圈和次级线圈不能完全耦合而导致初级线圈中的部分漏磁通和开关管的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在开关管的关断电压上形成尖峰电压，从而造成传导干扰；另外线圈中流过的高频脉冲电流会在周围形成高频电磁场，从而造成辐射干扰。

2.3 其他原因产生的干扰

由振荡器发出的周期性高频脉冲信号会产生高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。此外，由于开关电源内印制线路板的不合理走线而通过线线间的耦合电容和分布电感产生串扰，以及地环路干扰、公共阻抗耦合干扰等。

3 对开关电源产生的电磁干扰的抑制

目前，在实验室进行电磁兼容测试时发现很多受试设备的传导发射和辐射发射超标都是由于开关电源引起的，如何消除它的影响呢？众所周知形成电磁发射的三要素是骚扰源、传播途径和敏感设备，因此，抑制电磁干扰应从这三要素着手：首先抑制骚扰源，消除干扰的源头；其次消除骚扰源和敏感设备间的耦合和辐射，切断电磁骚扰的传播途径；最后应提高电磁敏感设备的抗干扰能力。

3.1 抑制骚扰源

这里的骚扰源指的就是开关电源。迄今为止，国家尚未出台专门针对开关电源的EMC测试的标准，但随着国家对越来越多的电子产品强制实行3C认证，很多开关电源的生产商在测试规范中明确规定依据GB9254-2008来对开关电源进行电磁兼容性测试，包括传导发射和辐射发射测试。

而我们的设计者在为设备中用到的开关电源选型时一般都关注的是输入电压、输出电压、额定功率、安装尺寸及价格，很少关注其在电磁兼容方面的指标，直至EMC测试发现问题才重新评估。因此在选型时应对产品说明书中的电磁兼容指标进行重点关注，选择满足标准要求的合适产品。

除此之外，在电路中增加电感和电容元件，利用电感和电容的谐振，抑制开关过程中的du/dt、di/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升，关断时电流的下降先于电压的上升。减小du/dt主要通过在开关电源两端并联电容来实现，减小di/dt则是在开关电源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

3.2 切断耦合途径

切断耦合通道是目前抑制电磁干扰最常用的方法，基本的措施包括屏蔽、接地和滤波。

对于由开关电源引起的辐射发射超标一般都采用屏蔽的方法，用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率良好的材料对磁场进行屏蔽。必要时可以用一屏蔽罩将开关电源罩住，但对金属屏蔽罩的开关电源进、出线处需做特别处理。

在电路系统设计中最好采用单点接地，因为多点接地会出现闭合的接地环路，磁力线穿过这些环路将产生电磁干扰。但单点接地实际很难做到，一般采用多点接地时可以利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分，包括开关电源的地都就近接到该导电平面上。

对于电源线产生的传导发射可以使用滤波器滤除，一个有效的滤波器应该对电源线上的差模和共模干扰都有较强的抑制作用。将滤波器装在开关电源的进、出线上能有效改善电路的滤波特性，此外，穿心电容、三端电容器和铁氧体磁环等专用的滤波元件也常被使用。

4 结语

本文以开关电源的基本工作原理为基础，按其内部的各部分组成电路分别分析了开关电源电磁干扰的产生机理，并有针对性的介绍了由开关电源引起的电磁干扰的抑制措施。

由开关电源产生电磁干扰的因素还有很多，抑制电磁干扰还有大量的工作要做，只有全面抑制开关电源的各种噪声才能使设备能更加安全可靠地运行。

[1] 李建泉.隔离式DC/DC变换器的电磁兼容设计[J].电源技术应用, 2005(8).

[2] 郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社, 2010.

[3] GB 9254-2008，信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法[S].

[4] Abraham I Pressm an. Switching Power Supply Design. R.R.Donnelley Sons Company,1991.

[5] 何宏,王红君.开关电源电磁兼容性[M].北京：国防工业出版社, 2008.

Impact on Equipment's EMIFrom the Inner Switching Power Supply and Suppression Methods

OU-YANG Xin, WEN Tong-Xin, ZHAO Ding-ding
（No.704 Research Institute of China Shipbuilding Indust ry Corporation, Shanghai 200031）

The EMI problems are attracting more and more attention along with the switching power supply widespread using. The generate mechanism of EMI from the switching power supply was deeply analyzed according to its composition based on its working theories. After that several improved methods were presented and proven to suppress that interference.

switching power supply; EMI; suppression

TN07

A

1004-7204（2014）03-0030-03

欧阳昕（1986-），女，江西省吉安市，助理工程师，硕士学位，研究方向为电磁兼容测试及整改。