高频开关电源的电磁干扰分析和电磁兼容措施

关光炳

（73683部队，福建 福州350003）

随着我国科学技术的发展，高频开关电源已被广泛应用于通信、自动控制和计算机等领域。但是高频开关电源内部的电流和电压变化率都很高，导致高频开关电源在使用时会产生很强的电磁干扰，影响其它设备的正常工作。电磁干扰信号的频率范围较宽，且还存在一定的幅度，这就会对通信设备、计算机等造成干扰，此外，因电磁干扰本身就是一种辐射，当其进入空间时还会污染空间环境。本文对高频开关电源的电磁干扰问题进行探讨，提出相应解决措施。

1 高频开关电源的电磁干扰

高频开关电源的电磁干扰主要有两种，一是由电源外部产生，一是由电源内部产生。

1.1 电源外部产生的电磁干扰

电源外部的电磁干扰有电网的电磁干扰、电磁脉冲干扰和静电放电干扰三种。

（1）电网的电磁干扰

一个完整的电网系统，必然连接诸多的电子设备和电器设备，这些设备相互之间会进行电磁转换。例如增加变频驱动、晶闸管整流直流驱动设备和不间断电源等非线性负载时，就会导致电压产生很大的变化，产生浪涌冲击和谐波之类的电磁干扰。这种电磁干扰有两种，如果是零线和火线之间的电流噪声，就说明是差模干扰，如果是火线和零线之一与地线之间产生的电流噪声，则证明是共模干扰。

（2）电磁脉冲干扰

本文中的电磁脉冲干扰特指雷电导致的电磁脉冲干扰。雷雨天在未装避雷针的房屋，人们通常会将电器的插头统统拔掉，避免烧坏电器，就是因为雷电在放电时，会产生极强的电磁场。当电磁场作用在金属导体上时，会产生极强的感应电压，如果该电压作用于开关电源设备上，会影响设备的使用性能，严重时甚至会完全损坏设备。

（3）静电放电干扰

高频开关电源受到静电放电干扰时会产生以下三种影响：a.高频开关的金属氧化物半导体器件会被击穿；b.静电会导致双极型晶体管出现局部升温的现象，导致开关元件损坏；c.影响开关数字电路的正常运行，甚至损坏数字电路。

1.2 高频开关电源内部产生的干扰

高频开关电源内部包含许多器件，产生电磁干扰的器件主要有整流器、逆变器和变压器三种。

（1）整流器中产生的电磁干扰

作为一种非线性器件，整流器中的电流是一种严重失真的正弦半波电流，这种电流中含有许多高次谐波，将引发谐波辐射和电磁场辐射等一系列的电磁干扰产生。

（2）逆变器中产生的电磁干扰

高频开关的分布电感和分布电容以及二极管中都储存着一定的电荷，这些电荷的存在，会导致逆变器产生浪涌噪声等电磁干扰。当高频开关电源的频率超过1 MHz时，一般会采用谐振开关来提高高频的节能效应。随着高频开关电源内部频率的提高，内部谐波会有相应的增强，从而导致更强的电磁干扰。

（3）变压器产生的电磁干扰

变压器一般是由铁氧体磁芯和铜线圈两部分组成，不仅漏感大，而且噪声也较大，因此，无可避免地导致了电磁干扰的产生。

2 高频开关电源的电磁兼容措施

电磁干扰的形成条件是干扰源、传播途径和受扰设备，三者缺一不可。因此，应该以这三个条件为突破口抑制电磁干扰。不论是消除干扰源，还是切断传播途径，或是改进设备的性能，提高其抗干扰能力，都能有效提供高频开关电源的电磁兼容性能，抑制电磁干扰带来的影响。

2.1 高频开关电源的电磁脉冲干扰抑制

要想解决雷电带来的电磁脉冲干扰问题，可以通过相应的措施，在雷电产生的脉冲能量传递至设备的瞬间将能量引入到地线中，从而有效保护设备。这种方法需要用到并联压敏电阻、稳压二极管、气体放电管，根据设备的实际需求，选择其中的一种或多种，就能够达到有效保护设备安全的目的。

2.2 变压器产生的电磁干扰的抑制

变压器产生的电磁干扰是由其制造材料导致的，因此可以选用更高级的变压器来达到抑制干扰的目的。平面变压器的磁芯与普通变压器不同，虽然其磁芯材料也是铁氧体磁芯，但是因其体积更小，而且形状大都选择E型、RM型和环形，在高频的环境下，铁氧体材料耗损很小；平面变压器的绕组没有采用铜线圈，而是将印刷电路板一层层叠绕而成，变压器的磁回路是由绕组迭在磁芯上构成的。与普通变压器相比，平面变压器的电阻、漏感和分布电容都更低，而且其磁芯拥有很强的磁屏蔽能力，可以有效抑制变压器产生的射频干扰。

2.3 正确选择和使用电磁干扰滤波器

通过正确选择和使用滤波器，不仅能够阻止其它设备产生的电磁干扰对高频开关电源造成影响，而且能防止高频开关电源中的电磁干扰对其它设备造成影响。按照干扰成因的不同，设备之间的干扰分为差模干扰、共模干扰两种，因此，与之对应的滤波器也分为差模滤波器和共模滤波器，安装时应该根据干扰的种类来选择对应的滤波器。由于滤波器不仅要阻止高频开关电源中的电磁干扰其他设备，还要防止电网中其他设备产生的电磁干扰影响高频开关电源，因此，不仅要在高频开关电源的出口处安装干扰滤波器，其入口处同样需要安装。

2.4 采用谐振开关

ZVS型和ZCS型开关能够减少分布电感和分布电容产生的寄生震荡，不管是使用一种或是两种同时使用，都能够有效地抑制高频开关电源中的电磁干扰，同时，开关损耗也相对更小［2］。

2.5 选用良好的元件

（1）高频开关电源电子器件的选择

在选择高频开关电源使用的电子元件时，应该以金属氧化物半导体效应管、绝缘栅双极型晶体管和快速二极管为主。在实际应用中，通常会将金属氧化物半导体效应管和绝缘栅双极型晶体管并联使用，这样不仅损耗较少，而且效率更高。作为一种电压驱动电子器件，金属氧化物半导体效应管非常适用于开关频率较高的情况，因为金属氧化物半导体效应管作为电压驱动电子器件，不管是开关导通上升时，还是关断下降，速度都很快，而且损耗较低。但是如果工作环境中的电流电压较大时，会导致导通损耗增加。而作为复合器件的绝缘栅双极型晶体管，其特点刚好相反，在导通时损耗很低，但是关断时不仅耗时，而且损耗也更大。因此，通过并联的方式，让金属氧化物半导体效应管和绝缘栅双极型晶体管相互弥补，就能取得无论是导通还是关断损耗都很小的效果。

（2）扼流圈与电容的选用

抗干扰滤波器分为许多种，但是高频开关电源应选用电磁干扰滤波的专用器件，例如正态扼流圈、共态扼流圈和三端子电容等［3］。

由SN线圈制成的正态扼流圈损耗较低，SN线圈使用的材料是能够有效抑制晶闸管噪声干扰的钢硅片。SN线圈不仅磁芯损耗低，而且拥有较大的自谐振Q值，因此，通过使用SN线圈制成的正态扼流圈，可以有效抑制一定频率范围（10～150 k Hz）内的电磁干扰。共态扼流圈主要用于抑制导线和地线之间的电磁干扰，其工作原理是通过在磁芯和电源上绕相同数量的线圈，能够产生往复的负载电流，从而抵消磁芯内部产生的电磁干扰［4］。三端子电容是一种旁路电容，它主要用于300 MHz电磁干扰的处理，在其高位端不仅设有一根输入线，而且还有一根输出线，因此，三端子电容的高电位端中没有多余的电感存在。

2.6 设计合理的PCB板

要想抑制高频开关电源中的电磁干扰，除了合理设计电源电路之外，PCB板的设计也非常重要。在设计PCB板时，不仅要合理的设计电源开关交流回路和输出负载电流回路等，为减少频率响应，还应选择适合长宽合适的印刷线。除此之外，接地点和接地线的选择也非常重要。

2.7 合理屏蔽

通过采取合理的屏蔽措施，不仅能够阻止高频开关电源与其它设备之间的电磁干扰，还能有效地避免静电放电现象。

3 结束语

电磁兼容的方式有滤波、屏蔽和接地三种，在实际问题中需先找出电磁干扰产生的原因，选择相应的措施，然后再进行处理，才能有效抑制电磁干扰。

［1］ 赵 影，李宏毅，信建国.基于DSP控制的高功率因数电

力变换器的研究［C］.第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集，2005.

［2］ 张永辉，宋 健.汽车电磁环境的研究与改进［C］.中国汽车工程学会汽车电子技术分会第七届（2006）年会暨学术研讨会论文集，2006.

［3］ 曾凡志，刘厚军，陈世永，王 博.机车当量公里与修程关系的研究［C］.机车寿命管理及当量公里记录装置应用学术研讨会论文集，2005.

［4］ Kuntimad G，Ranganath H S.Perfect image segmentation using pulse coupled neural networks［J］.IEEE Trans.on Neural N et-works，2012，10（3）：591-598.