开关电源中电磁干扰的产生及抑制

摘要：开关电源的突出缺点是会产生很强的电磁干扰(EMI)。电磁干扰信号频率范围广，具有一定的幅度，传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会成为干扰源。电磁干扰对开关电源效率、安全性和使用的影响日益成为热点。本文分析了开关电源中电磁干扰的产生原因和传播途径，并提出了抑制干扰的有效措施。

开关电源的突出缺点是会产生很强的电磁干扰(EMI)。电磁干扰信号频率范围广，具有一定的幅度，传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会成为干扰源。电磁干扰对开关电源效率、安全性和使用的影响日益成为热点。本文分析了开关电源中电磁干扰的产生原因和传播途径，并提出了抑制干扰的有效措施。

1.正式介绍

电磁兼容性EMC是电磁兼容性的英文缩写。它包括两层含义：一是运行中的设备产生的电磁辐射必须限制在一定水平；第二，设备本身必须具有一定的抗干扰能力，抗干扰能力必须具备三个要素：干扰源、耦合通道、敏感体。开关电源对电子电路干扰的抑制对于保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。通过对开关电源中干扰源和耦合通道的分析，提出了抑制干扰的有效措施。提出了开关电源用干式变压器的设计和制造方法。

2.开关电源中的干扰源和耦合通道

开关电源先先将工频交流电整流成直流电，然后在开关管的控制下变成高频，较后通过整流滤波电路输出，获得稳定的直流电压，因此含有大量的谐波干扰。同时，由于干式变压器的漏电感和输出二极管反向恢复电流引起的峰值，会产生不同程度的电磁干扰。开关电源中的干扰主要集中在电压和电流变化较大的元件上(即dv/dt或di/dt很大)，尤其是开关管、输出二极管和高频干式变压器。同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源，干扰电子电路的运行。在这里，我们将分析几种干扰的原因及其耦合路径。

2.1输出整流滤波电路产生滤波干扰。桥式整流器和电容滤波电路广泛应用于开关电源的输出端。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能效应，输出电流成为一个周期短、峰值高的峰值电流。除基波外，这种失真的输入电流还包含大量高次谐波成分。

2.2开关电路引起的干扰

开关电路的核心也是主要干扰源之一，主要由开关管和高频干式变压器组成。开关管产生的Dv/dt脉冲大，频带宽，谐波丰富。这种脉冲干扰的主要原因是：

(1)开关管导通的瞬间，干式变压器的初级线圈产生较大的浪涌电流，初级线圈两端出现较高的浪涌峰值电压；在开关断开的时刻，由于初级线圈的漏磁通，一部分能量没有从初级线圈传输到次级线圈，并且存储在漏电感中的这部分能量将与开关管本身的极间电容和电阻一起形成具有峰值的衰减振荡，这将叠加在开关管的关断电压上 #p#分页标题#e#

(2)输出二极管正向导通时，PN结中的电荷积累，二极管加反向电压，产生反向电流，积累的电荷就会消失。因为切换时二次整流电路中V的频率很高，也就是从导通到关断的时间很短，所以短时间内存储的电荷消失时会产生反向电流的浪涌。由于DC输出中分布电容和分布电感的存在，浪涌引起的干扰变成高频衰减和振荡减弱。

(3)高频干式变压器的初级线圈、开关管和滤波电容组成的高频开关电流回路，可能产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

2.3干扰的耦合通道

由于干式变压器初级绕组之间的杂散电容，开关电路产生的共模干扰在初级和次级侧通过干式变压器传播。相比之下，差模干扰路径相对简单，易于处理。本文主要介绍共模干扰的产生和抑制。

3.抑制干扰的措施

下面是我们制作开关电源时的一些干扰抑制方法。

3.1电源输入EMI滤波器通常在电源输入端采用图3所示的电路。该电路可以抑制共模和差模纹波干扰。图中每个元素的作用：

(1)、l、C1和C2用于滤除共模干扰信号。

l为共模扼流圈，通常电感在2MH-33mH左右。

C1和C2是旁路电容，也叫Y电容。电容约为2200pF。电容过大会影响设备的绝缘性能。

(2) C3和C4用于滤除差模干扰信号。

C3和C4是电源交叉电容器，也称为X电容器。常用陶瓷电容器或聚酯薄膜电容器。电容为0.22 f-0.47 f。

3.2开关管和输出二极管

3.3高频干式变压器的设计和制作

干式变压器是开关电源的较关键器件之一。干式变压器不仅要设计合理，在制作上也很有讲究。一个好的干式变压器既要满足带负荷能力，还要能起到较少和抑制干扰的作用。先先应根据输出负载的大小选择干式变压器的类型和磁芯的型号。确定干式变压器的线径及线数。依据bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考，综合考虑电流的趋肤效应，决定干式变压器的线径及线数。根据电路的拓扑结构和设计要素，计算初次级绕组的电感量，如果是反激式电源还应计算干式变压器气隙的大小，气隙的大小决定了干式变压器的带负载能力，同时也会影响干式变压器漏感的大小。而漏感是产生干扰的一个重要原因，在满足带负载能力的情况下，漏感以小些为好。干式变压器的结构设计和绕组分配。

干式变压器有两种常见的绕法：顺序绕法和夹层绕法。顺序绕法一般漏感为原边电感量的5%左右，但由于初，次级只有一个接触面，原副边间杂散电容较小。夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3%左右，但由于初，次级只有一个接触面，原副边间杂散电容较大。漏感是产生干扰的重要因素，原副边间杂散电容是干扰的传播通道，为抑制干扰，既要减少漏感又要减小漏感原副边间杂散电容。#p#分页标题#e#

因此，设计时应综合考虑这两个方面进行设计，具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。干式变压器的屏蔽层。在EMI干扰较强的情况下，常在干式变压器的初次级之间加入一层屏蔽层，通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径，让其都对地形成电容，其屏蔽效果非常好，可以大为减少EMI，同时对于电网串入的瞬态干扰也有一定的抑制作用。但干式变压器的制作工艺和成本都上升。屏蔽层有铜层和绕线层两种，铜层的效果较佳。输出整流滤波为了增加对干扰的滤波效果，可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。L1，C1组成二级滤波电器，滤除差模干扰；L2是输出共模电感，滤除输出电压中所含有的共模干扰。

3.5PCBLAYOUT应注意的问题

布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。因此应将所有通过高频交流的电流和印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置的很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。根据印制线路经电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。

4、结束语

我们在设计和制作反激式开关电源时，采用了上述措施，干式变压器采用顺序绕法带铜屏蔽层，输出侧加共模滤波电感后，+5v输出电压波形上的毛刺和纹波的峰值都小于60Mv，而在才用这些措施前毛刺和纹波的峰值大于500Mv。通过比较，我们发现这些措施确实能够对干扰起到很好的作用。抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，比如屏蔽技术、接地等等。在设计开关电源时应综合考虑各种因数，尽可能抑制开关电源的各种噪音，提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛的应用。