高频开关电源电磁干扰的处置措施与抗扰能力的提升

高频开关电源电磁干扰的处置措施与抗扰能力的提升

李则臣

天津瑞源电气有限公司天津市300385

摘要：随着半导体器件高频性能的逐步提升，高频开关电源得到了广泛的应用。高频率不仅可以大大减小产品的体积，同时还能减小电源输出的纹波，保证输出的稳定。但与此同时，高频的存在也同样增加了电源对周边环境的电磁干扰以及周边辐射对电源系统稳定性的风险。为了使开关电源能够在相对高频的模式下顺利工作同时降低其产生的电磁干扰对其他设备的影响，必须采取有效措施抑制电磁干扰增加电磁抗扰。因此，结合高频开关电源中电磁干扰的特点，提出了一些抑制电磁干扰，增加电源抗扰能力的措施

关键词：高频开关电源；电磁干扰；抗扰能力；处置方式

随着高频开关电源被广泛应用于通信、家用电器和自动控制等领域，电源的干扰与抗干扰设计越来越重要。在大功率电源中，增加开关频率往往可有效减小电源体积，减低输出纹波，然而伴随而来的是产生较强的电磁干扰，较高的电压变化率。电源中产生的电磁干扰信号进入电网，影响其他设备的正常工作。较宽的频率范围和幅值导致电源开关不符合EMC标准。除了电网中的传导骚扰经电源入口进入电源外，从电源本身来看产生电磁干扰的主要部件是逆变过程中的功率开关管和高频变压器，这也是开关电源产生电磁干扰的主要原因。

1.高频开关电源的电磁干扰与抗扰

高频开关电源的电磁干扰主要来自电源电路内部热点、功率器件以及高频变压器。高频开关电源电磁抗扰主要是外部干扰对电源内部敏感器件的影响。分析电磁干扰，基于以下两点分析：一、外部环境对电源的干扰，表现在电源上为电源的抗扰能力。二、电源本身产生的干扰，表现为电磁骚扰。一般的检测方式分为两种：一种为辐射干扰，另一种为传导骚扰。

1.1电源外部产生的电磁干扰

电源外部的电磁干扰一般包括电网内部电磁干扰、电磁脉冲干扰和静电放电干扰三种，它们体现了电源的抗扰能力。

（1）电网的电磁对电源的干扰

一个完整的电网系统，必然连接诸多的电子设备和电器设备，这些设备相互之间会进行电磁转换。例如增加变频驱动、晶闸管整流直流驱动设备和不间断电源等非线性负载时，就会导致电压产生很大的变化，产生浪涌冲击和谐波。这种电磁干扰有两种，一种来源于零线和火线之间的电流噪声，即差模干扰。另一种是火线/零线与地线之间产生的电流噪声，即共模干扰。

（2）电磁脉冲对电源的干扰

本文中的电磁脉冲干扰特指雷电导致的电磁脉冲干扰。雷雨天人们通常会将电器的插头统统拔掉，避免烧坏电器。其根本原因在于在雷电放电过程中，会在周边环境发射极强的电磁场。当电磁场作用在金属导体上时，会产生极强的感应电压，如果该电压作用于开关电源设备上，如果电源的抗扰能力不佳，则会影响设备的使用性能，严重时甚至会完全损坏设备。

（3）静电放电对电源的干扰

高频开关电源受到静电放电干扰时会产生以下三种影响：ａ．具有高频特性的金属氧化物半导体器件会被击穿；ｂ．静电会导致双极型晶体管出现局部升温的现象，导致开关元件损坏；ｃ．影响数字电路的正常运行，甚至损坏数字电路。

1.2高频开关电源内部产生的干扰

高频开关电源内部包含许多器件，产生电磁干扰的器件主要有整流器、逆变器和高频变压器三种，当然，不良的高频电路布局也会产生极大的电磁干扰。它们表现为电源对周边环境的骚扰能力。

（1）整流器中产生的电磁干扰

作为一种非线性器件，整流器中的电流是一种严重失真的正弦半波电流，这种电流中含有许多高次谐波，将引发谐波辐射和电磁场辐射等一系列的电磁干扰产生。开关电源中的整流器包括输入端的全波整流桥和输出端的半波整流二极管。对于大输出电流的电源来说，输出往往采用同步整流的方式。

（2）逆变器中产生的电磁干扰

高频开关的分布电感和分布电容以及二极管中都储存着一定的电荷，这些电荷的存在，会导致逆变器产生浪涌噪声等电磁干扰。当高频开关电源的频率超过１ＭＨｚ时，一般会采用谐振软开关来延缓功率开关管开关过程中电压电流上升时间，降低EMI。此外，随着高频开关电源内部频率的提高，产生大量的谐波成分，也会导致较强的电磁干扰。

（3）变压器产生的电磁干扰

变压器一般是由铁氧体磁芯和铜线圈两部分组成。由于工艺因素，不可避免的出现一定程度的漏感。随着漏感的增加噪声同样增加，无可避免地导致了电磁干扰的产生。

2.高频开关电源中电磁干扰抑制措施与抗扰能力的增加

按照噪源进行分类，干扰可分为尖峰干扰和谐波干扰两种。工作过程中，在短时间内，其内部能形成电压和电流波。抑制电磁干扰的最根本途径有两条：其一在噪声源加以抑制，其二切断电源噪声与电网之间的耦合途径。干扰源和耦合通路是产生电磁干扰的主要原因。在符合电磁干扰的模型中，电源开关在高压、高电流时引起的电磁兼容问题比较复杂，可从以下几方面抑制电磁干扰。

2.1采用无源滤波器抑制电网高次谐波

在电源的输入部分附加扼流圈，是减少电网传导噪声进入电源的简单方法，局限性在于会增大高频开关电源的体积。正态电感器和共模电感器组成的无源滤波器，分为前后两部分，前者是抑制高次谐波的正态电感器，后者是抑制电磁干扰信号的EMI滤波器。其中，L1、L2是两个独立线圈。线圈方向不同，滤波器在接入电路后，两只线圈产生的电流相互抵消，使磁环处于不饱和状态，保持电感值不变。但是，由于磁环的材料不均匀等原因，使得L1、L2的电感量产生差值，由此产生差模电感。

2.2电磁屏蔽减小骚扰增加抗扰

增加电磁屏蔽层，可有效降低电源噪声向外部辐射，而屏蔽层的可靠接地还能抑制外部的电磁干扰不影响电源本身，提升电源抗扰能力。电磁屏蔽技术包括发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽两种。

在电源内部，高频变压器和电感器等，都属于可发出电磁波部位，可通过包铜皮的方式将噪声引入大地，此时屏蔽层必须良好接地。进行整体屏蔽时，应选择良好的导电性材料，既防止辐射干扰向外部扩散，也防止外部干扰进入电源系统。但是，在使用整体屏蔽时应考虑如在屏蔽材料的接缝、电线的输入输出等易出现电磁泄露的部位热量不易散出，同时结构和材料的成本也更高。

2.3PCB抗干扰技术

印刷电路板抗干扰技术可以降低PCB的电磁辐射和PCB电路间的串扰。其包括PCB布局、布线和接地技术。开关电源的元器件在布局上要紧密排列，印制电路板布线间的电磁耦合要通过电场和磁场减少环路面积。布线时，对于大电流走线来说应增大线与线之间的距离，抑制电场与磁场的耦合，同时采用静电屏蔽等减少干扰源和敏感电路的环路面积，降低敏感线路的输入阻抗。对于有直接回路关系的走线，如驱动信号线、电流检测信号线等，需要与地线互相平行且接近以抵消电流去与回之间的磁场。另外，接地也是抑制干扰的重要办法，包含安全接地、工作接地和屏蔽接地等。进行设计时应注意：第一，选择的地线要粗，防止接地电位随电流的变化而变化，导致定时控制信号电平不稳；第二，功率地与弱电地分开，在电路电流和电压高时，作为负载电路或功率驱动电路的零电位公共基准地线，其功率地受到的干扰会变大；第三，利用“浮地”技术，将交流电源地与直流电源地分开；第四，随着数字电源开关的发展，为了避免对模拟电路产生干扰，应将模拟电路与数字电路的电源地分开。

2.4软开关技术的应用

在现代电力技术发展趋势下，软开关具有装置小、轻量化等优势，是一种可以在零电流状态下实现开通/关断的先进开关技术。通过谐振软开关控制技术可有效实现大功率器件在零电压与零电流下的开关，不仅可延缓电流电压的波形上升时间，有效抑制EMI，同时还降低了开关损耗的能量，提高了开关频率。在硬开关电路基础上，增加电容元件和电感是软开关技术工作的基本思想。开关过程中，利用电感和电容降低谐振。在开关开通时，电压比电流下降的速度快，避免了电压和电流的重合。但是，也不要单纯的认为软开关技术就可以有效降低EMI，因为在主功率开关器件的软开关电路中引入了部分辅助谐振单元，其谐振仍会导致高的EMI。

2.5使用平面变压器减小电源对外骚扰

和普通变压器相比，平面变压器具有铜阻低、分布电容低等优势。平面变压器采用环形或者小尺寸的铁氧体磁芯。这些磁芯由铁氧体材料制成，再用多层印刷电路板制成绕组，然后和高频铁芯共同构成变压器的磁回电路。高频开关电源中，对磁芯的损耗小，满足谐振电路的需求，可以有效防止射频干扰。

2.6抑制高频开关电源内电磁脉冲

自然环境中的雷电可以使开关设备产生浪涌。为了保护整个设备，可以通过相关抑制措施，在短时间内将设备上大量的脉冲能量泄放在安全线上。通常，相关技术人员会采用气体放电管、并联压敏电阻等方法进行抑制。在高要求的设备中，可以采取多种方法结合使用。在设备要求低时，可以只使用一种方式解决，以取得良好的效果。

2.7有源功率校正电路设计

有源功率校正电路能够有效避免整流桥后级的窄电流脉冲，而这些窄电流脉冲波形产生大量的谐波成分，在电源内外形成大的干扰源。APFC技术在半桥谐振软开关、移相全桥等拓扑中广泛使用，不仅可以有效降低输入端的EMI，还能提升效率。但是由于额外引进了大量半导体器件，集成芯片以及大电感，增加了成本，在小功率电源中不适用。

2.8电流电压双环路反馈增加系统抗扰能力

电压环为外环控制，电流环为内环控制能有效增加电源稳定性。当外部强电磁干扰对电源辐射时，电源可以通过双重反馈环保证输出电压的稳定。双环路控制相比仅电压环单环控制来说，其反馈补偿网络更加简单，抗干扰能力更强。

3.结束语

电磁兼容的方式有滤波、屏蔽和接地三种，在实际问题中需先找出电磁干扰产生的源和路径，有的放矢，针对性处理，可以有效抑制电源对外部的电磁干扰，同时提升抗扰能力。

参考文献：

[1]崔旭升,李建雄,陈治通,杨庆新,牛萍娟.开关电源电磁辐射干扰的建模与仿真[J].电源技术,2014,38(05):969-972.

[2]刘影,谢驰.基于并行扩频技术降低电力通信电源的电磁干扰研究[J].电网与清洁能源,2014,30(05):22-25+30.

[3]关光炳.高频开关电源的电磁干扰分析和电磁兼容措施[J].通信电源技术,2015,32(03):94-95+97.

[4]许康恒,顾国帅,王正之.高频开关电源的印制板设计优化研究[J].数字技术与应用,2018,36(06):151-152+154.