开关电源的电磁兼容性设计

公丕兵

（中国空空导弹研究院，洛阳 471009）

电磁兼容性是很多电子设备的关键指标。处于电磁环境中的电子设备的电磁兼容性应达到运行标准，且不会干扰到相同环境中其他设备的工作。因此，设计电源时必须将电磁兼容性考虑在内，以保障电子设备的正常运行。

电子电路向高密度、高集成化方向发展，对稳压电源提出了更高要求，要求达到体积小、重量轻以及效率高等标准。随着开关式稳压电源的研究，电子电路已经具备了以上优点，相关的研究和应用持续增多[1]。然而，开关电源是一种高频化电能转换装置，在电源线路内会产生浪涌电压和其他各种噪声，形成了一个强烈的干扰源。同时，它受到外界的电磁干扰。因此，为了保证自身能够正常工作及设备供电不间断，开关电源应具有很强的抗电磁干扰能力，同时限制开关电源对外界造成干扰，避免发生互相干扰，使得相同环境下的各个设备均保持稳定的运行状态。

1 导致电磁兼容性问题的原因

开关电源具有体积小和功耗低等优点，广泛应用于各种电子设备，但在应用过程中存在电磁兼容性问题。由于主功率开关管的运行方式主要是高频开关方式，容易形成较多的高次谐波。此外，开关电源以电感负载为主，其分布电容等难以保持最佳的运行状态。当它们以20 kHz以上频率开关时，会产生比电源电压高10～100倍的浪涌噪声。该噪声如果进入设备电路，则容易干扰电路的正常工作[2]。此外，如果将开关二极管用于整流，则由于结电容等因素的影响，在电流及电压保持较高的变化率时可能形成一定的高频干扰，影响设备的运行。

在开关电源中，为了滤除差模及共摸干扰信号，一般利用储能电感和电容器组成L、C滤波电路。电感线圈中含有分布电容，能够减小自谐振频率，因此电感线圈中会有较多的高频干扰穿过，并逐步扩散到外部。在干扰信号频率增大的情况下，滤波电容器引线电感会降低滤波质量，严重时会改变电容器的参数，最终引发明显的电磁干扰问题。除了上述因素之外，由于设计和制作工艺上的问题，在开关电源内外经常会产生如电容性和电感性耦合、公共阻抗耦合以及电磁辐射耦合等噪声传播，影响系统工作的稳定性。

2 电磁兼容性问题的解决方法

电磁干扰不仅会干扰公共安全和电子设备的正常工作，还会影响居民的日常生活。因此，国家工程技术人员纷纷采取措施来抑制电磁干扰。开关电源的电磁兼容性问题可以划分为多种类型，包括磁场耦合和电场耦合等类型。因此，需要对开关电源电磁兼容性的问题进行研究，有效解决电磁干扰问题，以提高开关电源的稳定性和可靠性。一般可以从以下3个方面采取措施。第一，从源头上减小干扰源形成的干扰信号。第二，基于新技术改善目标的抗干扰能力。第三，抑制干扰信号传播，中断其传播路径[3]。

在解决开关电源干扰时，可以从上述3个方面入手。例如，加强输入输出滤波电路的设计、有效降低电源输入端干扰、采用高性能的滤波器以及提高布线合理性等，尽量减小开关管和整流续流二极管的电压电流变化率。采用谐振频率较高的滤波电容器，强化对壳体的屏蔽设计，保障接地处理的有效性。对于外部干扰（如浪涌等），可采用加装浪涌吸收器、瞬态抑制二极管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳的电距离等方法，优化交流电输入及直流输出端口的防浪涌电压能力。

在开关电源中，整流二极管产生的噪声是主要噪声之一。该噪声主要由二极管反相恢复时流过的反相电流所导致。一般来说，二极管的反相恢复时间越长，其反相电流的幅值越大，而较大的反相电流将导致噪声的产生。为减小噪声干扰，要求二极管反相恢复时间短，且具有软恢复特性。其中，软化恢复特性方式是将特定的缓冲器设置在二极管两侧位置，不但能够软化二极管的反相恢复特性和降低输出噪声，而且可以保护半导体器件，避免因开关电源产生的浪涌电压而烧毁器件。该缓冲器主要是电容串联电阻构成的。

开关电源的广泛应用对其外形和体积设计提出了更高要求。为了追求开关电源的小型化，开关转换频率不断提高，导致开关过程中会形成一定的尖峰电压，容易引发电源输出噪声等问题，甚至可能导致整流二极管故障。在二极管处并联RC缓冲器，可以在一定程度上保护二极管和降低输出处噪声。但是，当开关转换频率较高时，缓冲器的电容、电阻等因吸收噪声会导致发热，增大损耗，不利于提升开关电源效率。为了有效解决上述问题，引入非晶型磁环以有效抑制反相电流，起到抑制噪声和保护二极管的作用。为减少开关电源的噪声，也可以在其输出端和机架之间增加旁路电容，抑制共模噪声。同时，可以在两个输出端之间增加旁路电容，抑制串模噪声。在装配旁路电容时，应尽量减小引线的长度。增加旁路电容和在装配时，减小电源及布线的分布电容，可以减少由共模噪声向串模噪声的转换，抑制共模噪声。同时，电源的输出线不能与交流功率线及其他大功率负载线平行并保持一定的间距，更不能捆扎在一起，以免产生耦合噪声。开关电源内部的布线，也不要前后级混杂和捆扎等。

3 开关电源的滤波设计

解决开关电源的电磁兼容性问题的基本措施，是在其输入输出端加装滤波器。开关电源输入输出滤波器的基本电路如图1所示[4]。

图1 开关电源输入输出滤波器的基本电路

该电路能有效滤除串模噪声和共模噪声。L1、L2、C1用于滤除串模噪声；L3、L4、C2、C3用于滤除共模噪声。C1、C2、C3应选用高频特性好的陶瓷电容或聚酯电容，且引线要尽可能短。L3和L4是抗共模噪声扼流圈，均绕成相同的圈数。线圈中存在往返电流时会形成一定的磁通，并且会在磁芯中抵消，所以难以有效抑制串模噪声。但是，它对于共模噪声具有电感抑制效果。需要注意，扼流圈的铁芯要选用较难饱和以及µ-f特性好的材料。在通过较大电流时，铁芯的截面积不能太小，否则会使铁芯磁饱和，导致抗干扰效果大幅度下降。同时，在扼流圈绕制过程中应该适当减少分布电容，否则容易产生不利影响，即噪声成分将直接通过这些分布电容进入系统，使扼流圈失去应有的抑制作用。特别要指出的是，线圈的引线头尾不要靠近，更不能捆扎在一起，否则将失去抑制共模噪声的效果。

4 结语

开关电源的电磁兼容性直接影响其所在设备和系统的电磁兼容性。并行开展开关电源的电磁兼容性设计、可靠性和维护性设计以及产品的基本功能设计，目的是使产品在一定的电磁环境下能正常工作，且不对周围的电磁环境造成污染。