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開關電源電磁干擾源分析
一、引言原文位置
電磁兼容性(EMC)是指電子設備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下不因電磁干擾而降低性能指標，同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于規(guī)定的極限電平，不影響其它電子設備或系統(tǒng)的正常運行，并達到設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。
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世界各國都相應制定了自己的EMC標準。比如國際電工委員會的1EC61000及(C1SPR系列標準、歐洲共同體的FN系列標準、美國聯(lián)邦通信委的FCC系列標準和我國現(xiàn)行的GT3/T13926系列EMC標準等。隨著國際電磁兼容法規(guī)的日益嚴格，產(chǎn)品的電磁兼容性能越來越受到重視。
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開關電源作為一種電源設備，其應用越來越廣泛。隨著電力電子器件的不斷更新?lián)Q代，開關電源的開關頻率及開關速度不斷提高，但開關的快速通斷，引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流，通過電源線路、寄生參數(shù)和雜散的電磁場耦合，會產(chǎn)生大量的電磁干擾。
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二、開關電源的干擾源分析
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開關電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)，按耦合通道來分，可分為傳導干擾和輻射干擾;按噪聲干擾源種類來分可分為尖峰干擾和諧波干擾。開關電源在工作過程中所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓就形成了干擾源，工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。
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三、電磁干擾的抑制措施
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電磁干擾由三個基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源;對該干擾能量敏感的設備;將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對開關電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施，主要從兩個方而考慮：一是減小干擾源的干擾強度;一是切斷干擾傳播途徑。
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常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線。
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1.電路的隔離
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在開關電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。對于開關電源的模擬信號控制系統(tǒng)的隔離，交流信號一般采用變壓器隔離，直流信號一般采用線性隔離器(如線性光電耦器)隔離。數(shù)字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。
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2. 屏蔽
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屏蔽一般分為兩類，一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽是抑制開關電源輻射干擾的有效方法。可以用導電良好的材料對電場屏蔽，而用導磁率高的材料對磁場屏蔽。
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3.接地
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為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作，根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類。比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。在電路的設計中，應將交流電源地與直流電源地分開，模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開，功率地與弱電地分開。
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4.加裝EMI濾波器
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電源濾波器安裝在電源線與電子設備之間，用于抑制電源線引出的傳導干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導干擾，對提高設備的可靠性有重要的作用。開關電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導干擾為主，而傳導干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構(gòu)成開關電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個繞在同一個高磁導率磁芯上的繞組構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結(jié)構(gòu)以較小體積獲得較大的電感值，并且不用擔心由于工作電流導致飽和。每個繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對獨立端口的低通濾波器，形成共模濾波網(wǎng)絡，用來抑制電源線上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小，應盡量做到濾波器的諧振頻率低于開關電源的工作頻率，這樣可以實現(xiàn)對整個頻段的濾波。
圖1 開關電源EMI濾波器
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5.PCB板的合理布局與布線
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開關電源的輻射干擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射干擾E∝I·A·f 2。運用這一關系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長。上述關系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關鍵，這是說開關電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊;在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上，將正負載流導線分別布在印制板的兩面，并設法使兩個載流導體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負載流導體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。
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四、結(jié)束語
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要提高開關頻率，提高開關電源產(chǎn)品的質(zhì)量，電磁兼容性是不容忽視的問題。產(chǎn)生開關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。只有在設計時充分考慮電磁兼容問題，才能使開關電源得到更普遍的應用。
電壓就形成了干擾源，工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。
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三、電磁干擾的抑制措施
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電磁干擾由三個基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源;對該干擾能量敏感的設備;將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對開關電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施，主要從兩個方而考慮：一是減小干擾源的干擾強度;一是切斷干擾傳播途徑。
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常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線。
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1.電路的隔離
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在開關電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。對于開關電源的模擬信號控制系統(tǒng)的隔離，交流信號一般采用變壓器隔離，直流信號一般采用線性隔離器(如線性光電耦器)隔離。數(shù)字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。
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2. 屏蔽
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屏蔽一般分為兩類，一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽是抑制開關電源輻射干擾的有效方法。可以用導電良好的材料對電場屏蔽，而用導磁率高的材料對磁場屏蔽。
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3.接地
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為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作，根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類。比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。在電路的設計中，應將交流電源地與直流電源地分開，模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開，功率地與弱電地分開。
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4.加裝EMI濾波器
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電源濾波器安裝在電源線與電子設備之間，用于抑制電源線引出的傳導干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導干擾，對提高設備的可靠性有重要的作用。開關電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導干擾為主，而傳導干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構(gòu)成開關電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個繞在同一個高磁導率磁芯上的繞組構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結(jié)構(gòu)以較小體積獲得較大的電感值，并且不用擔心由于工作電流導致飽和。每個繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對獨立端口的低通濾波器，形成共模濾波網(wǎng)絡，用來抑制電源線上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小，應盡量做到濾波器的諧振頻率低于開關電源的工作頻率，這樣可以實現(xiàn)對整個頻段的濾波。
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