幾種可有效開關(guān)電源的電磁干擾抑制方法

目前，許多大學(xué)及科研單位都進(jìn)行了開關(guān)電源EMI(Electromagnetic Interference)的研究，他們中有些從EMI產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，有些從EMI 產(chǎn)生的影響出發(fā)，都提出了許多實(shí)用有價(jià)值的方案。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關(guān)電源EMI 的抑制措施提出新的參考建議。

開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來(lái)分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種，若按耦合通路來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來(lái)分別說(shuō)明：

1、二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò)，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。

2、開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾

功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過(guò)較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。

3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無(wú)工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。

開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過(guò)開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過(guò)輸入輸出線傳播時(shí)，都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

4、其他原因

元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。

開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大;干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關(guān)頻率不高(從幾十千赫和數(shù)兆赫茲)，主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度.

EMI測(cè)試技術(shù)

目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(見圖1)，測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。

圖1 差模抑制網(wǎng)絡(luò)

目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑(見圖2);第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

圖2 電磁干擾源與耦合途徑模型

采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開關(guān)電源的底板是交流電源的地線，因而通過(guò)器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連，可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連.

在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過(guò)該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此,為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上。

濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

EMI濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施,可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。圖3是一種由電容、電感組成的EMI濾波器,接在開關(guān)電源的輸入端。電路中，C1、C5是高頻旁路電容, 用于濾除兩輸入電源線間的差模干擾;L1與C2、C4;L2與C3、C4組成共模干擾濾波環(huán)節(jié)，用于濾除電源線與地之間非對(duì)稱的共模干擾;L3、L4的初次級(jí)匝數(shù)相等、極性相反，交流電流在磁芯中產(chǎn)生的磁通相反，因而可有效地抑制共模干擾。測(cè)試表明，只要適當(dāng)選擇元器件的參數(shù)，便可較好地抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。

目前開關(guān)電源EMI抑制措施的不足之處

現(xiàn)有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發(fā)，這確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設(shè)備的抗擾能力，殊不知后者還有許多發(fā)展的空間。

改進(jìn)措施的建議

目前從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來(lái)抑制干擾，已漸進(jìn)成熟。我們的視點(diǎn)要回到開關(guān)電源器件本身來(lái)。從多年的工作實(shí)踐來(lái)看，在電路方面要注意以下幾點(diǎn)：

(1)印制板布局時(shí),要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨(dú)引出，電源供給處匯集到一點(diǎn);PCB布線時(shí)，高頻數(shù)字信號(hào)線要用短線，主要信號(hào)線最好集中在PCB板中心，同時(shí)電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號(hào)線或用地線隔開。其次，可以根據(jù)耦合系數(shù)來(lái)布線，盡量減少干擾耦合。(見表1)

(2)印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

(3)器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長(zhǎng)度，以減小元件分布電感的影響。

(4)在Vdd及Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑，如用10μF鋁電解和0 1μF電容并聯(lián)接在電源腳上。對(duì)于高速數(shù)字IC的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解電容，因?yàn)殂g電解的對(duì)地阻抗比鋁電解小得多。

結(jié)論

產(chǎn)生開關(guān)電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲會(huì)使開關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用。