开关电源的电磁干扰抑制分析

2016-12-26李怡恒

电子技术与软件工程 2016年22期

关键词：抑制开关电源电磁干扰

李怡恒

摘要

开关电源是一种高效节能的优质电源。然而在电子设备工作过程中，开关电源会产生比较严重的电磁干扰。本文根据高中物理所学知识，在与老师的沟通和指导下，研究开关电源电磁干扰的产生原因，并从屏蔽、滤波、接地以及电路等方面简要分析了干扰抑制措施。

【关键词】高中物理开关电源电磁干扰抑制

开关电源的应用十分广泛，其小型化和高频化虽然为电子设备的发展带来了很多便利，但所产生的电磁干扰也愈发严重，对功能发挥的影响越来越大。因此，必须采取有效的电磁干扰抑制措施，削弱甚至消除电磁干扰，保证电子设备能够正常运行。

1 开关电源电磁干扰的产生原因

根据高中物理的知识学习，我们知道在电子设备的工作过程中通电电流的传导会出现一些无用信号或电磁噪声等，会对电路器件设备、传输通道以及系统的性能造成干扰，这种干扰就是电磁干扰。电磁干扰的出现有很多可能的原因，电磁干扰的的干扰源一般都是电压电流变化比较大的元器件，包括开关管、二极管及变压器等。

通过总结经验，并学习资料，开关电源电磁干扰产生的主要因素包括下面一些内容：

1.1 开关管产生电磁干扰

开关电源中原边主电路的开关管大多采用MOSFET功率管，这种开关管具有小电荷存储效应，开关速度快，在开通、断开时，电磁干扰易于产生。对于这种电磁干扰，通常的做法是通过吸收电路进行削弱，但加装吸收电路会对电源效率造成一定影响。

1.2 高频变压器产生电磁干扰

在开关电源的功率变换电路中，开关管的负载是高频电压器的初级线圈，呈感性，在开关管开通的瞬间，初级线圈中会出现很大的电流，相应的线圈会产生很高的电压；在开关管断开的瞬间，初级线圈的部分能量停留在初级线圈中，无法导入次级线圈，这部分能量会在原边电路中的电容和电阻上产生衰减震荡。如果高频变压器两端的滤波电容容量不够大，或者高频特性较差，电容上的高频阻抗就会导致高频电流以差模的方式传导到交流电源中，从而产生传导干扰。

1.3 整流电路产生电磁干扰

工频交流电需要通过整流变成单向脉动电流，转换的结果除了直流分量外，还存在着一些高频谐波分量，这些高频谐波分量会导致输入功率因数变小，同时还会附带较大的THD，这不仅会对电网产生很严重的干扰，还会通过电源线造成射频干扰。

2 开关电源的电磁干扰抑制措施

2.1 屏蔽技术

屏蔽是我们日常生活中都能接触到的物理原理，包括中央一套《加油！向未来》的节目中验证了特斯拉线圈的实验。电磁屏蔽的原理是通过加装屏蔽体来削弱甚至完全阻挡电磁能量。在开关电源的电磁屏蔽中，分为两个部分：

（1）对产生电磁干扰的元器件进行屏蔽；

（2）对容易受到电磁干扰的元器件进行屏蔽。

开关电源中，产生电磁干扰的元器件一般是变压器、电感器以及各种功率器件，对于这些元器件的电磁屏蔽，可以使用铜板或者铁板围绕起来，从而削弱其产的电磁干扰。对于容易受到电磁干扰的元器件也可以采用相同的办法进行屏蔽。另外，还可以通过整体屏蔽的方法，使用强导电性的材料把开关电源整体都围绕起来，从而防止其中产生的电磁干扰向外扩散。在应用整体屏蔽时，需要注意以下两点问题：

（1）屏蔽材料的接缝、电线以及输出端子的接口都很容易发生电磁泄漏，在应用整体屏蔽时需要着重处理；

（2）整体屏蔽需要将开关电源整体围绕在屏蔽体中，这就会导致散热出现阻碍，相应的，设备成本也会增加。

2.2 滤波技术

通过《整流和滤波》部分的学习，我们可以知道滤波技术可以应用到开关电源传导干扰的抑制中。通过学习其他资料了解到开关电源的传导干扰包括共模干扰和差模干扰两种，共模干扰出现在相线和地线以及中线和地线之间，共模干扰的电流会在相线和中线内部同时出现，大小和方向都相同。差模干扰出现在相线和中线之间，差模干扰的电流同样会在相线和中线内容同时出现，大小相同，但是方向相反。滤波技术无论是对差模干扰还是共模干扰都有很好的抑制作用，由于共模干扰和差模干扰一般会同时出现在开关电源传导干扰中，所以在加装滤波器时一般会将共模滤波和差模滤波同时考虑在内。实践发现，对于内阻较高的干扰源，滤波器输入阻抗需要设计低值，对于内阻低的干扰源，滤波器输入阻抗需要设计高值；负载电阻高时，滤波器输出阻抗需要设计低值，负载电阻低时，滤波器输出阻抗需要设计高值。

2.3 接地技术

接地技术是广泛应用的一项物理技术，同时也是漏电保护中很常用且效果很好的一种技术。开关电源中的接地属于屏蔽接地。在设计屏蔽接地时，需要注意以下几个方面。

（1）开关电源的接地包括交流接地和直流接地，必须将两者严格分离，一般采用浮地技术将开关电源的直流地和交流地分隔开，从而来屏蔽交流电源地线所产生的干扰。

（2）功率地和弱电地要分开。功率地应用于是负载电路或者功率驱动电路，电流和电压都很大，因此很容易产生干扰，必须和其他弱电地分隔开。

（3）地线直径尽量大。直径小的地线会导致接地电位随电流变化而变化，从而进而影响抗噪声性能。

2.4 电路措施

开关电源干扰抑制中的电路措施包括吸收电路、软开关技术以及器件选择。

（1）开关电源中电磁干扰的产生主要是忧郁电压和电流的短时间大幅度变化，因此，在抑制电磁干扰时，可以通过设计吸收电路，分散能量，降低电路中的电压和电流变化幅度。

（2）在原有的硬开关电路中设置电感和电容，通过其谐振特性，能够有效减少电压和电流的重叠，从而降低电磁干扰。

（3）在开关电源设计中，尽量选择不容易产生、传导以及辐射电磁干扰的元器件。

开关电源的电磁干扰一直是影响电路性能的一大问题。通过资料的学习和分析，在开关电源的电磁干扰抑制中可以结合实际情况综合使用多种电磁干扰抑制措施，这样才能发挥最大的作用，有效保证电子设备的正常工作。

参考文献