開關電源電磁干擾的抑制措施

通常開關電源EMI控制主要采用濾波技術、屏蔽技術、密封技術、接地技術等。EMI干擾按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。

開關電源主要是傳導干擾，且頻率范圍最寬，約為10kHz一30MHz。抑制傳導干擾的對策基本上10kHz一150kHz、150kHz一10MHz、10MHz以上三個頻段來解決。10kHz一150kHz范圍內主要是常態干擾，一般采用通用LC濾波器來解決。

150kHz一10 MHz范圍內主要是共模干擾，通常采用共模抑制濾波器來解決。10MHz以上頻段的對策是改進濾波器的外形以及采取電磁屏蔽措施。

1、采用交流輸入EMI濾波器

通常干擾電流在導線上傳輸時有兩種方式:共模方式和差模方式。

共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間，主要是由du/dt產生的，di/dt也產生一定的共模干擾。

而差模干擾是載流體之間的干擾:干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。

干擾電流在導線上傳輸時既可以共模方式出現，也可以差模方式出現;但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對有用信號構成干擾。

交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。

一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小;共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，造成的干擾較大。

若在交流電源輸人端采用適當的EMI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。

電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示，其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。

共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。

如果兩個線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會很小，在電源線頻率范圍內差模電抗將會變得很小;當負載電流流過共模扼流圈時，串聯在相線上的線圈所產生的磁力線和串聯在中線上線圈所產生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。

這里共模扼流圈要采用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。

2、開關電源EMI的五大抑制策略

圖1 電源線濾波器基本電路圖

3、利用吸收回路改善開關波形

開關 管 或 二極管在開通和關斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲電容和分布電容，容易在開關管集電極、發射極兩端和二極管上產生尖峰電壓。通常情況下采用RC/RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。

4、開關電源EMI的五大抑制策略

圖2 RCD浪涌電壓吸收回路

當吸收回路上的電壓超過一定幅度時，各器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，同時將浪涌電壓限制在一定的幅度。

在開關管集電極和輸出二極管的正極引線上串接可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質一般為鈷(Co)，當通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小。

一旦電流要反向流過時，它將產生很大的反電勢，這樣就能有效地抑制二極管VD的反向浪涌電流。

5、利用開關頻率調制技術

頻率控制技術是基于開關干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法:隨機頻率法和調制頻率法。

隨機頻率法是在電路開關間隔中加人一個隨機擾動分量，使開關干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。

研究表明，開關干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續分布干擾，其峰值大大下降。
調制頻率法是在鋸齒波中加人調制波(白噪聲)，在產生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調制展開成一個分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。

在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關斷時的干擾。

6、采用軟開關技術

開關電源的干擾之一是來自功率開關管通/斷時的du/dt，因此，減小功率開關管通/斷的du/dt是抑制開關電源干擾的一項重要措施。而軟開關技術可以減小開關管通/斷的du/dt。
如果在開關電路的基礎上增加一個很小的電感、電容等諧振元件就構成輔助網絡。在開關過程前后引人諧振過程，使開關開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現象，降低、甚至消除開關損耗和干擾，這種電路稱為軟開關電路。

根據上述原理可以采用兩種方法，即在開關關斷前使其電流為零，則開關關斷時就不會產生損耗和干擾，這種關斷方式稱為零電流關斷;或在開關開通前使其電壓為零，則開關開通時也不會產生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電流開關和零電壓開關，基本電路如圖3和圖4所示。

開關電源EMI的五大抑制策略

圖3

圖4 零電流開關諧振電路

通常采用軟開關電路控制技術，結合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術，對開關電源的EMI干擾具有一定的改善作用。

7、采用電磁屏蔽措施

一般采用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。開關電源的屏蔽措施主要是針對開關管和高頻變壓器而言。

開關管工作時產生大量的熱量，需要給它裝散熱片，從而使開關管的集電極與散熱片間產生較大的分布電容。

因此，在開關管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層，并且散熱片接機殼地，金屬層接到熱端零電位，減小集電極與散熱片間藕合電容，從而減小散熱片產生的輻射干擾。

針對高頻變壓器，首先應根據導磁體屏蔽性質來選擇導磁體結構，如用罐型鐵芯和El型鐵芯，則導磁體的屏蔽效果很好。

變壓器外加屏蔽時，屏蔽盒不應緊貼在變壓器外面，應留有一定的氣隙。如采用有氣隙的多層屏蔽物時，所得的屏蔽效果會更好。

另外，在高頻變壓器中，常常需要消除初、次級線圈間的分布電容，可沿著線圈的全長，在線圈間墊上銅箔制成的開路帶環，以減小它們之間的禍合，這個開路帶環既與變壓器的鐵芯連接，又與電源的地連接，起到靜電屏蔽作用。

如果條件允許，對整個開關電源加裝屏蔽罩，那樣就會更好地抑制輻射干擾。