【开关电源的电磁干扰】

产品知识

开关电源的电磁干扰

1.导引
    随着电力电子技术和功率器件的发展，开关电源以其体积小、重量轻等特点，在电气产品中得到了应用。
    由于开关电源工作在高电压、大电流的开关状态下，随着开关电源向高频大功率发展，功率密度的增加导致电源内部电磁环境变得更复杂，不可避免地产生严重的电磁干扰(Eectromagnetic Interference，简称EMI)，对电源品本身及周围电子设备的正常工作造成威胁。
    随着电磁兼容(EectromagneticCompatibili-ty，EMC)法规的日益严格，因此，减少和抑制开关电源的电磁发射成为安规认证中的关键，也是开关电源设计中的重要课题。

2.开关电源为何存在电磁干扰
    开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过逆变器转换成低压的高频交流电压，再经过二次整流和滤波变成所需要的直流低电压。开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。整流电容充电放电，开关管和输出整流二极管的电压、电流在高频工作时的快速切换都是这类电磁干扰源，它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射电磁能量。
    输入/输出电源线布线不合理、PCB布线不合理、结构设计的不合理、电源线输入滤波不合理及CPU或检测电路的设计不合理都会导致系统工作的不稳定。此外用于整流及续流的二极管也会产生高频干扰，成为干扰源。

3.电磁干扰的分类及产生机理

3.1电磁干扰的产生方式
    开关电源先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压，因此自身含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都形成了潜在的电磁干扰。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上，突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。
    ●开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，形成关断电压尖峰。电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型电磁干扰，既影响变压器初级，还会使传导干扰返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全和经济运行。
    ●整流电路中，在输出整流二极管截止时有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中，能将反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰。
    ●高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。
    ●开关电源工作在高频状态下，因而其分布电容不可忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

3.2电磁干扰的传输方式
    电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式；另一种则是辐射传输方式。传导干扰产生于开关电源的开关管开通与关断。多数小功率开关电源的几何尺寸远小于30MHz 电磁场对应的波长(空气介质中约为1m)，开关电源系统研究的电磁干扰现象属于近场的范围。研究它们的电磁干扰问题时，主要考虑的是传导干扰。传导干扰包括差模干扰和共模干扰。差模干扰是产生于电源正负之间的对称性干扰；共模干扰是产生于电源正负之间的非对称性干扰。对于传导干扰来说，滤波是压缩干扰频谱的基本手段。开关电源一般利用储能电感和电容器C组成的滤波电路，实现对差模及共模干扰信号的滤波。无源滤波器是电磁兼容性(EMC)技术的基础元器件之一。但是滤波电容器随着干扰信号频率的上升，引线电感的作用导致电容器滤波效果不断下降，甚至导致电容参数改变，从而，电容器也是产生电磁干扰的另一个原因。
    辐射传输是干扰信号通过介质以电磁波的形式向外传播的干扰形式。常见的辐射耦合有三种：1)一个天线发射的电磁波被另一个天线意外地接收，称为天线对天线的耦合；2)空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；3)两根平等导线之间的高频信号相互感应而形成的耦合，称为线对线的感应耦合。

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