高频开关电源中滤波与抗干扰

高频开关电源中滤波与抗干扰

张全超

天津瑞源电气有限公司天津市300385

摘要：高频开关电源是电力系统中较为常用的电气设备之一，它的运行稳定与否至关重要。文章首先对高频开关电源电磁干扰的产生机进行简要分析，在此基础上对处置高频开关电源电磁干扰问题有效方式进行论述。期望通过本文的研究能对高频开关电源电磁干扰问题的解决提供帮助。

关键词：高频开关；电源滤波；抗干扰

随着现代电子技术的迅猛发展，开关电源也得到了高速发展，体积小、重量轻、效率高、稳定性好是现在开关电源发展的方向。但随着功率、频率的增大和体积的减小，电磁干扰越来越成为制约开关电源发展的主要因素。因此，一个开关电源的抗干扰性能，成为判断开关电源性能的一个主要条件。

1.高频开关电源电磁干扰的产生机理分析

在分析高频开关电源电磁干扰的产生机理之前，需要先对高频开关电源的构成情况进行简单的了解，其构成框架如图1所示。

1.1电磁干扰的成因

由图1可知，高频开关电源通过整流会将工频交流变为直流，再经过逆变之后，转为高频，最后利用滤波电路完成输出，进而获得相对稳定的直流电压，在电流转换的过程中，存在大量的谐波干扰，不仅如此，变压器的漏电感应和输出二极管的反向恢复电流所形成的尖峰也都存在一定的电磁干扰。在高频开关电源中，电磁干扰源主要集中在电流和电压变化较大的器件当中，如高频变压器、二极管、开关管等等。

1.2电磁干扰的产生机理

高频开关电源电磁干扰的产生机理与以下器件有关：开关和整流电路、高频变以及分布电容等等。下面就此进行具体分析。

1.2.1开关电路

对于高频开关电源而言，开关电路是其核心组成部分，同时也是高频开关电源的主要干扰源。常规的开关电路由以下两个部分组成：开关管盒高频变，由开关电路所产生出的du/dt具有脉冲冲击的特性，不但频带宽而且谐波也比较丰富，此类脉冲干扰的形成机理如下：高频变的初级线圈为开关管的负载，这个负载的性质为感性，当开关管导通时，会在初级线圈当中产生出较大的涌流，并在线圈两端呈现出较高的尖峰电压，而开关管断开时，因漏磁通的存在会导致部分能量无法才能够一次线圈传递到二次线圈，这部分能量会存在于电感当中，并与集电极电路中的电容和电阻形成衰减振荡，进而叠加于关断电压之上，在这一前提下，便会形成关断电压尖峰。当电源的电压中断之后，会随之产生出与初级线圈接通时祥通道额雌花冲击电流瞬变，从性质上看，该瞬变

可归为传感型电磁干扰的范畴，它的出现不但会对变压器的初级造成影响，而且还会造成传导干扰返回配电系统，进而对整个电网造成谐波干扰，不利于其它电气设备的安全、稳定运行。

1.2.2整流电路

当整流电路当中的输出整流二级管截止时，会随之出现一个反向电流，为使该电流能够快速恢复到零，通常会使用带有应恢复功能的二极管，该二极管受到变压器漏感的影响会产生出相对较强的高频干扰。

1.2.3高频变压器

在高频变压器中，初级线圈、滤波电容以及开关管是开关电路的组成部分，这些器件在运行时，会产生出较强的空间辐射，由此会形成符合干扰。

1.2.4分布电容

由于高频开关电源需要在高频的状态下运行，所以分布电容成为不可或缺的重要因素。因位于散热片和开关管集电极之间的绝缘片较薄，并且接触面积较大，所以在高频状态下，高频电流会经由分布电流流到散热片上，并流到机壳地，由此便会形成共模干扰。

2.提高开关电源抗干扰的措施

2.1 滤波电路

滤波是开关电源抑制干扰的常用方法，比如低频滤波、高频滤波、电源滤波、纹波滤波等，滤波电路在系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制电能传输上的传导干扰，同时对传输线上的辐射抑制也有显著的效果。在滤波电路中，一般选用穿心电容，三端电容和铁氧体磁环等。图2为一个转换电路的滤波电路，C1和C9为输入的低频和高频滤波，C3和C12为输出的高频和低频滤波，这4个电容同时兼有电源滤波和纹波滤波。

2.2 EMI电路

开关电源的差模干扰是由开关电源和交流输入之间的环流所造成的，这意味着差模电流将经过电源进线流入开关电源，经过中线流出。大部分的差模干扰是由功率晶体管集电极电流波形的基波和谐波造成的。共模干扰是由共模电流造成的，它并不在交流电源中流通，也不在电源输入之间形成环流。共模干扰主要是由开关晶体管集电极电压变动所引起的：初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容性耦合，会在电源输入端产生传导的共模噪声源共模电感在一个磁芯上绕了两个相同的绕组，当有实线i2流过时，从图中可见所产生的磁场是相互抵消的，因而磁芯材料不受任何影响，不会发生饱和现象。当虚线1i流过时，磁芯中产生相同的磁通而使磁通加强。因此，对共模有很强的抑制作用。所以，共模电感器通常都采用频率特性好、导磁率高的铁氧体材作为其制作材料。差模电感因为与负载是串联的，输入电流或者输出电流通过电感磁芯，其交直流电流都很大，因此不能用高磁导率的材料，而是用磁粉芯作为

其制作材料。为一个对共模和差模干扰都有抑制能力的EMI滤波电路。图中没有专门设置差模电感，而是利用共模电感绕制中的不完全对称所形成的一个寄生差模电感来担当的。差模电容为CX1和CX2，共模电容为CY1和CY2。同时，为了抑制直流输出线上的电容，需要在初、次回路地线之间跨接电容，根据设计所需跨接合适的电容，一般小于1μF。假如为了进一步提高共模抑制能力，可以在CX1前再加一级共模滤波电容。有的电路还需要在与安全地连接之间加一个小电感，进一步提高抗干扰能力。

2.3 软开关技术

软开关技术是在开关管上增加电容和电感，降低开关过程中的di/dt和dv/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升，或关断时电流的下降先于电压的上升，以消除电压和电流的重叠。研究表明，软开关技术只是在抑制纹波的高次谐波上有一定的效果。同时，由于软开关电路中引入了辅助谐振单元，其谐振会引入高的di/dt和dv/dt，增加电路的EMI。因此，比较软开关和硬开关技术的开关电源，其EMI也应综合衡量考虑。

2.4 频率调制控制

频率调制是瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变化的调制，固定频率调制脉冲产生的干扰在低频段，集中在动态元器件上，一般都是通过调制开关频率f，把集中在f及其2f、3f….上的能量分散在周围的频带上。以满足抑制EMI的标准。为了达到较低噪声频谱峰值的目的，通常用随机频率法和调

制频率法。随机频率法是在电路的开关间隔中加入一个随机扰动分量，使开关噪声能量分散在一定范围的频带中，开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。调制频率法是在锯齿波中加入调制波形（即白噪声），在产生干扰的离散频段周围形成边频带，将噪声的离散频带

调制展开成一个分布频带。这样噪声能量就分散到这些分布频段上。这种控制方法可以在不影响变换器工作特性的情况下，很好地抑制开通、关断时的干扰。

3.结论

综上所述，在电力系统当中，高频开关电源的应用越来越多，起自身所具备的高频特性，使电磁干扰问题随之产生。为此，应当对电磁干扰的产生机理进行分析，并采取合理可行的方法抑制电磁干扰，确保高频开关电源的稳定、可靠运行，使其作用能够得到最大限度地发挥，从而提高电网的运行安全性。在未来一段时期，应当加大对高频开关电源电磁干扰抑制技术的研究力度，除对现有的技术进行改进和完善之外，还应研发一些新的技术，从而进一步解决电磁干扰问题。

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