开关电源电磁兼容特性研究

开关电源电磁兼容特性研究

赵萌

航天神舟飞行器有限公司  天津  300308

摘要：近年来，随着我国科学技术的飞速发展，对开关电源电磁的兼容性发展也收到人们的普遍关注。开关电源的电磁兼容性问题成为了影响开关电源普及的关键之处，目前研究开关电源电磁的兼容问题成为了最重要的事情，本文就对开关电源电磁兼容特性进行深入探讨。

关键词：开关；电源；电磁；兼容

开关电源本身处在复杂性较强的电磁环境中，因而将会显著干扰到某些开关电源固有的性能。通常情形下，开关电源存在较大可能将会承受来源于晶体管、印制电路或者其他因素干扰，以至于表现为突发性的开关电源损害。针对处在不同环境中的开关电源而言，与之相应的电磁兼容技术也体现为差异性。由此可见，灵活选用电磁兼容技术的侧重点应当在于妥善避免并且有序防控减损开关电源性能，通过电磁兼容的方式来延长开关电源运行的寿命并且保障系统稳定性。

1、电磁兼容技术的内涵及特征

电磁兼容的基本内涵在于系统内的各类电磁设备不会呈现彼此干扰的状态，而是可以维持同样环境中的共存与正常运行。因此可见，电磁兼容的本质应当在于排除外在设备或者某些设备本身引发的电磁干扰。从当前现状来看，关于电磁兼容性已经能够参照拟定的相应标准，确保将各类电气或者电子设备限定于可接受的电磁干扰幅度以内。电磁兼容技术着眼于抑制并且防控由于各类外在要素带来的电磁干扰，此类电磁干扰可能源自某些设备本身，或者来源于人为干扰。干扰源本身带有电磁能量，然后在耦合途径的配合下将会干扰到正常性的电子设备运转。从自然现象的视角来看，雷电与其他大气现象都会突显电磁波的某种干扰。除此以外，某些人为干扰更加可能会减损设备性能，甚至造成电子设备的损毁。因此，电磁兼容技术得以创建的基本宗旨就在于妥善抑制以及有效应对电磁干扰。

2、开关电源电磁干扰的形成与传输

2.1印刷电路中所产生的电磁噪声

在开关电源当中，印刷电路时其最为基础的部分，起着负责联系开关电源各个电器元件的作用。由于在设计开关电源产品的时候，没有充分考虑到电磁兼容的相关问题，时常会出现线路随意布置的情况。所以在印刷电路的工作过程当中，会形成一定的电磁噪声导致对印刷电路时对开关电源当中的其他电器元件产生一定的内部干扰影响，导致其中的元件可能无法正常工作。由此可以看出，在电路的印刷过程当中加强对开关电源当中的电路设计时重中之重，而不能只是一味的追求电路板的美观和均匀，这样将会对开关电源在印刷电路时的稳定产生极大的影响。

2.2晶体管当中的电磁干扰

相关电器企业在设计研究开关电源的过程当中，因为需要充分考虑到开关电源里面的变压器体积，所以晶体管开关的频率会得到大幅度的提高，进而导致电流当中的变化频率也随之增强，而降低了开关电源对于晶体管的电磁信号的控制能力。不仅如此，因为晶体管的开关频率得到大幅度提高导致晶体管温度急剧上升，如果这个时候没有相应的散热电器元件，则很有可能进一步改变晶体管当中的电压频率，使得晶体管当中的电磁干扰影响再度加重。

2.3开关变压器当中所存在的电磁干扰

在开关电源当中功率变压器是其中最为重要的电器元件之，而只要功率变压器一旦开始工作就一定会对开关电源产生电磁干扰。因为在功率变压器当中存在着许许多多的绕组，这些各不相同的绕组之间相互影响就一定会产生不小的寄生电容，进而产生了对开关电源产生了电磁干扰情况。不仅如此，功率变压器电磁干扰的存在还会直接影响周围的电器元件，导致整个开关电源出现了漏磁的情况进一步加重了功率变压器对开关电源所产生的电磁干扰影响。

3、电磁兼容技术在开关电源中的运用

3.1设计输入端滤波器

开关电源运行过程中产生的噪声主要有两种：一种是差模噪声，另一种是共模噪声。共模噪声由大地与载流导体之间的电位差所导致，差模噪声则因载流导体之间的电位差而产生。通常情况下，线路上的电磁干扰既有差模噪声，也有共模噪声。可考虑在电源的输入端加入滤波器，并确保滤波器可以与电源阻抗适配，当适配水平足够高时可以实现理想的衰减作用，此时可以得到很好的插入损耗特性。简单来说，若噪声源内阻是低阻抗的，则所使用的电磁干扰滤波器输入阻抗应该是高阻抗的；若噪声源内阻是高阻抗的，则要保证电磁干扰滤波器输入阻抗是低阻抗的。当前广泛使用的电磁干扰滤波器包含差模杂讯和共模杂讯两个部分的抑制电路，具有较好的应用效果。在设计输入端滤波器的过程中，需要注意一点——因设备所产生的差模与共模成分是不一样的，所以滤波电路能够有效地增加或减少滤波元件，但需要结合实际情况认真调整电路，必须开展电磁干扰试验，以得到最佳的电路调整效果。除此之外，在安装滤波电路时确保接地良好，同时要隔离滤波电路的输出端与输入端，以求达到最佳的滤波效果。

3.2有效预防辐射电磁干扰

在长期研究中发现，要想有效降低辐射电磁干扰值，可以考虑使用电压缓冲电路，比如可以将RCD（剩余电流装置）缓冲电路并联到开关管两端；也可以考虑使用电流缓冲电路，将20~80μH的电流串联到开关管的集电极上。在开关电源中，功率开关管的集电极始终是一个危害较大的骚扰源，应该在集电极上接入开关管的散热片，这样可以让散热片与集电极之间的电流顺利流入到主电路中。需要注意的是：要确保散热片尽量远离机壳，这样可以最大限度地减少机壳与散热片之间的分布电容，若是条件允许，可以安装带有屏蔽功能的散热片。对于整流二极管来说，应优先使用恢复电荷小、反向恢复时间短的，比如可以使用肖特基管。在使用肖特基管时，为有效减少电磁干扰，应在其两端套磁珠，同时与RC吸收网络并联起来。考虑到当负荷电流增大时，二极管需要更长的时间才可以实现反向恢复，此时尖峰电流会受到较大影响，因此可以同时使用多个二极管，以降低对尖峰电流的影响。除此之外，开关电源必须做好屏蔽处理，优先使用模块式全密封结构，并且要确保屏蔽层可以良好接地。在长期应用过程中发现，模块式全密封结构可以实现很好的屏蔽效果，电磁干扰被始终限制在较小的范围内。以辐射电磁干扰值超过标准限值20dB的开关电源为例，为确保辐射电磁干扰值在限值范围内，可以采取5种措施：一是将470pF电容并联到所有整流二极管的两端；二是在开关管的G极输入端并联50pF电容；三是将0.01μF电容并联到各个输出滤波电容；四是将小磁珠套到整流二极管上；五是结合实际情况改善屏蔽体的接地处理。

3.3正确使用接地技术

在接地技术的应用中，要结合实际情况选择有效的接地方式。在开关电源接地技术的应用中，主要进行设备的信号接地、设备接大地。在设备的信号接地中，可以使用浮地和混合接地两种方式。以浮地方式为例，需要将电路或设备与公共接地系统隔离开，同时可以实现不同电位间的电路配合。在长期应用过程中发现，浮地方式具有良好的抗干扰性能，但也有一定的缺点，即容易导致电路与公共地之间积累静电，当积累到一定程度后引起严重的静电放电，最终演变成骚扰源。针对这一问题，可以考虑在公共地与浮地之间连接一个电阻值大的泄放电阻，以释放所积累的电荷。在设备接大地中，必须实现3个方面的要求：一是确保设备操作人员始终安全；二是及时泄放机箱上所积累的电荷；三是避免设备在电磁环境下对大地的电位发生变化。可以说，设备接大地不仅可以实现设备安全与人员安全，而且能够较好地抑制电磁骚扰。

3.4使用屏蔽技术

屏蔽技术对抑制开关电源的电磁干扰十分有效，值得推广应用。为防止脉冲变压器的磁场泄漏，可以考虑使用闭合环，形成磁屏蔽。另外，还需要使用电场屏蔽的方式屏蔽整个开关电源。需要注意的是：若要实现电场屏蔽，须将屏蔽外壳接地，否则无法起到屏蔽效果；但若是要进行磁场屏蔽，则不必将屏蔽外壳接地。总的来说，针对开关电源，需要重点做好4个方面的屏蔽工作：一是开关管的屏蔽；二是高频变压器的屏蔽；三是机壳屏蔽；四是整流二极管屏蔽，优先考虑使用光电隔离技术。

4、总结

由于当前电子产品的使用范围越来越广，大电流、高电压下工作势必会产生强电磁干扰，与其他电气元件相比，开关电源的电磁兼容性控制更复杂。要充分分析产生电磁干扰的基本原理，明确整个过程，采取合适措施，提高开关电源对抗电磁干扰的能力，保障开关电源的推广与应用。

参考文献

[1]杨枫.高压大功率开关电源相关技术研究[J].中国新通信.2018(12).

[2]王勇.飞行器测试电源干扰分析与对策[J].电工材料.2018(12).

[3]鲍节尔.铁路通信高频开关电源改造与实践[J].铁路通信信号工程技术.2018(12).

[4]杨枫.高压大功率开关电源相关技术研究[J].中国新通信.2018(12).