开关电源对电子设备的电磁干扰分析

许晶鑫

（南京禄口国际机场空港科技有限公司，江苏 南京 211113）

1 电磁干扰现象描述

某电子设备机房，安装了卫星通信设备、路由器、交换机、服务器、大屏显示器及音频功放等电子设备，出现了如下问题。

（1）24 寸显示屏加电开机，间断性出现水波纹。

（2）指挥大厅工作人员用麦克与远端人员通话时，在开启本端的音频功放时，大厅的喇叭出现“吱吱……”的高频交流噪声。

检查后发现，24 寸显示器和音频功放设备为交流220 V 供电，而相邻的LED 显示屏设备由一款24 V 开关电源供电，但这款开关电源交流输入端与24 寸显示器和音频功放共用相同的交流电源板。

2 定位电磁干扰源

为了找出电磁干扰源，做如下测试。

（1）在开启LED 屏时，打开24 寸显示屏和音频功放，显示屏出现水波纹，功放喇叭有高频交流噪声。

（2）在关断LED 屏时，打开24 寸显示屏和音频功放，显示屏无水波纹，功放喇叭没有高频交流噪声。

（3）用示波器测试了开关电源220 V 的输入端，测试结果为：空载时，输入端为纯正弦波；带载后，输入端交流220 V 的正弦波上叠加了丰富的谐波。

（4）用24 V 电池组提供LED 供电时，打开24寸显示屏和音频功放，显示屏无水波纹，功放喇叭没有高频交流噪声。

测试结果表明，这款开关电源对LED 负载提供功率后，向电网反馈输出了丰富的电流谐波，这些电流谐波干扰了临近的显示屏和音频功放。

3 开关电源电磁干扰原因分析

查看这款开关电源，前级电路由过流浪涌保护、EMI模块（安规电容、共模电感）、整流及电容滤波组成；后级由带变压器BUCK 变换器、PWM 控制电路及变压器次级输出滤波电路组成，未发现有源功率校正电路（APFC）[1]，如图1 所示。

图1 开关电源前级整流滤波电路

由图1 可知，在全桥整流后，加了滤波大容量的电解电容C1，但没有APFC 电路，这将产生丰富的谐波电流。回馈到电网上，将产生严重污染。需详细分析这些谐波产生的原因。

（1）整流过后的不加滤波电容C1，整流二极管的导通角为180°，纯电阻R1上的电压波形和电流波形相位一致，严格相似，电压波形如图2 所示。

（2）整流过后的加滤波电容C1，纯电阻R1上的电压波形将改变，馒头波加载到大的滤波电容上，电容瞬间充电，0 时刻，电压几乎跟随馒头波（稍微有点延时），当到达馒头波峰值时刻（5 ms），电容稍微延迟一点时刻，几乎同时到达311 V。

5 ms 后，电容开始放电，但由于电容容量大，放电速度缓慢，而整流桥的馒头波电压下降的速度快，远远大于电容电压下降的坡度，整流二极管处于反向截止状态，如图3 所示。

因此，电容处于交替充放电状态；而整流二极管交替处于截止与导通状态，在电容充电状态导通，在电容放电状态截止；导通角一般为30°～54°。实际的电容电压波形和二极管的电流波形如图4 所示。

图4 加滤波电容后电容的电压波形、二极管的电流波形

（3）实际的电容两端的电压是脉动的，而整流二极管的电流在较小的导通角内，充电电流较大。这是因为在导通状态下，电流的能量除了提供后级电路外，还要提供电容的充电电流，以便在二极管截止状态下，由电容放电提供下级电路的变换能量。因此，整流二极管电流不连续，是非周期的正弦变化量，发生了严重畸变。负载越大，导通期的电流越大，畸变越严重。

这就是该款开关电源对24 V 显示器和音频功放产生干扰的原因。空载时，即LED 屏没有开启时，开关电源加电，但直流24 V 不对外供电，整流二极管导通电流较小，只提供功率开关管、开关变压器及PWM控制集成电路[2]等电子器件待机功耗；当LED 屏打开后，电源对外输出功率，整流二极管流过大的畸变电流，傅里叶级数展开后，这种大的畸变电流含有丰富的谐波分量，尽管开关电源前级也做了安规的电源滤波措施，但不可能完全滤除；没有完全滤除的谐波分量反馈到电网上，干扰了临近的显示器和音频功放，使得显示器出现水波纹，音频功放输出高频交流噪声。经测试，这款开关电源满载时总谐波失真大约为：

4 结 论

在集成固定自动指挥系统、车载机动指挥系统、通信机房弱电工程及机场指挥大厅通信工程中，不可避免会使用一些开关电源，系统配电工程师需要注意电磁兼容的一些问题。采购的开关电源一定要符合电磁兼容的要求，较大功率的开关电源必须要求厂家设计APFC 模块，使得整流二极管的电流波形与整流桥输出的电压馒头波形相近，减少总谐波失真，减少对电网的污染。对一些敏感的容易被电磁干扰的设备，可以牺牲体积和重量的要求，使用线性电源来代替，消除对这些设备的电磁干扰。