開關電源的干擾及其抑制
0 引言
開關電源作為電子設備的供電裝置，具有體積小、重量輕、效率高等優點，在數字電路中得到了廣泛的應用，然而由于工作在高頻開關狀態，屬于強干擾源，其本身產生的干擾直接危害著電子設備的正常工作。因此，抑制開關電源本身的電磁噪聲，同時提高其對電磁干擾的抗擾性，以保證電子設備能夠長期安全可靠地工作，是開發和設計開關電源的一個重要課題。
1 開關電源干擾的產生
開關電源的干擾一般分為兩大類：一是開關電源內部元器件形成的干擾；二是由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾。兩(liang)者都涉(she)及到人為因素(su)和自然因素(su)。
1．1 開關電源內部干擾
開關電源產(chan)生(sheng)的EMI主要(yao)是由(you)基(ji)本整(zheng)流(liu)器產(chan)生(sheng)的高次諧波電流(liu)干擾和功(gong)率變換電路產(chan)生(sheng)的尖峰電壓干擾。
1．1．1基本整流(liu)器
基本(ben)整(zheng)流(liu)器的整(zheng)流(liu)過程是產(chan)生EMI最常見的原因。這是因為(wei)工(gong)頻交流(liu)正弦波(bo)(bo)通(tong)過整(zheng)流(liu)后不再是單一(yi)頻率(lv)的電(dian)(dian)流(liu)，而(er)變(bian)成一(yi)直(zhi)流(liu)分(fen)量和(he)一(yi)系列頻率(lv)不同的諧(xie)波(bo)(bo)分(fen)量，諧(xie)波(bo)(bo)(特別是高次諧(xie)波(bo)(bo))會沿著輸電(dian)(dian)線(xian)(xian)路產(chan)生傳(chuan)導干擾(rao)(rao)和(he)輻(fu)射(she)干擾(rao)(rao)，使(shi)前端(duan)電(dian)(dian)流(liu)發生畸(ji)變(bian)，一(yi)方面使(shi)接(jie)在其前端(duan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)線(xian)(xian)上的電(dian)(dian)流(liu)波(bo)(bo)形發生畸(ji)變(bian)，另一(yi)方面通(tong)過電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)線(xian)(xian)產(chan)生射(she)頻干擾(rao)(rao)。
1．1．2功率(lv)變換電路
功率變換電路是開關穩壓電源的核心，它(ta)產帶(dai)較寬且諧波比(bi)較豐富(fu)。產生這種(zhong)脈(mo)沖(chong)干擾的主要元器件為
1)開關(guan)(guan)管開關(guan)(guan)管及(ji)其散熱器與(yu)外殼和電(dian)源(yuan)內(nei)部的(de)(de)(de)引(yin)線間存在分(fen)布電(dian)容，當(dang)開關(guan)(guan)管流(liu)(liu)過(guo)大(da)的(de)(de)(de)脈沖電(dian)流(liu)(liu)(大(da)體上是矩形(xing)波)時，該波形(xing)含有(you)許多高(gao)頻成(cheng)份；同時，關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)使用的(de)(de)(de)器件參(can)數如開關(guan)(guan)功率管的(de)(de)(de)存儲(chu)時間，輸出(chu)級的(de)(de)(de)大(da)電(dian)流(liu)(liu)，開關(guan)(guan)整(zheng)流(liu)(liu)二(er)極管的(de)(de)(de)反向恢復時間，會造(zao)成(cheng)回路瞬間短(duan)路，產(chan)生很大(da)短(duan)路電(dian)流(liu)(liu)，另外，開關(guan)(guan)管的(de)(de)(de)負載(zai)是高(gao)頻變(bian)壓器或(huo)儲(chu)能電(dian)感，在開關(guan)(guan)管導通(tong)的(de)(de)(de)瞬間，變(bian)壓器初級出(chu)現很大(da)的(de)(de)(de)涌流(liu)(liu)，造(zao)成(cheng)尖峰(feng)噪聲。
2)高頻變壓器 開關電源中的(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器，用作隔(ge)離和變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)，但由于(yu)漏感(gan)的(de)原因，會產(chan)生電磁(ci)感(gan)應噪聲(sheng)(sheng)；同(tong)時，在高頻(pin)(pin)狀(zhuang)況下變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器層間的(de)分布(bu)電容會將一次側高次諧波噪聲(sheng)(sheng)傳遞給次級，而變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器對外殼(ke)的(de)分布(bu)電容形成另一條高頻(pin)(pin)通路，使變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器周(zhou)圍產(chan)生的(de)電磁(ci)場更容易在其他引線上(shang)耦(ou)合形成噪聲(sheng)(sheng)。
3)整流(liu)(liu)(liu)(liu)二極管二次側整流(liu)(liu)(liu)(liu)二極管用作高(gao)頻整流(liu)(liu)(liu)(liu)時，由(you)于反(fan)向(xiang)恢復時間的(de)(de)因(yin)素，往往正向(xiang)電流(liu)(liu)(liu)(liu)蓄積的(de)(de)電荷在加上反(fan)向(xiang)電壓(ya)時不(bu)能立即消(xiao)除(chu)(因(yin)載流(liu)(liu)(liu)(liu)子的(de)(de)存(cun)在，還有(you)電流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)過)。一旦這(zhe)個反(fan)向(xiang)電流(liu)(liu)(liu)(liu)恢復時的(de)(de)斜率(lv)過大(da)，流(liu)(liu)(liu)(liu)過線圈的(de)(de)電感(gan)(gan)就產(chan)(chan)生(sheng)了尖峰(feng)電壓(ya)，在變壓(ya)器(qi)漏(lou)感(gan)(gan)和其他(ta)分布(bu)參數的(de)(de)影(ying)響下(xia)將產(chan)(chan)生(sheng)較強的(de)(de)高(gao)頻干(gan)擾，其頻率(lv)可達幾(ji)十MHz。
4)電容、電感器和導線開關電源由(you)于(yu)工作(zuo)在較高(gao)頻(pin)率，會(hui)使低頻(pin)元件(jian)特性發生變化，由(you)此產生噪(zao)聲。
1．2 開關電源外部干擾
開關電源外部(bu)干擾(rao)可以(yi)以(yi)“共模”或“差模”方(fang)式(shi)存在。干擾(rao)類型(xing)可以(yi)從持續期很短的(de)(de)尖峰干擾(rao)到完全失電(dian)(dian)(dian)之間(jian)進行變(bian)化。其中也(ye)包(bao)括電(dian)(dian)(dian)壓變(bian)化、頻率變(bian)化、波(bo)形(xing)失真、持續噪聲或雜波(bo)以(yi)及瞬(shun)變(bian)等，電(dian)(dian)(dian)源干擾(rao)的(de)(de)類型(xing)見表1。
在(zai)表1中的(de)(de)幾種干(gan)擾中，能夠通過(guo)電(dian)(dian)(dian)源進行傳輸并(bing)造(zao)成(cheng)(cheng)設備(bei)的(de)(de)破(po)壞或(huo)影(ying)響其工作的(de)(de)主要是電(dian)(dian)(dian)快速瞬變脈(mo)沖(chong)群和浪涌沖(chong)擊波，而(er)靜電(dian)(dian)(dian)放電(dian)(dian)(dian)等干(gan)擾只要電(dian)(dian)(dian)源設備(bei)本身不產生(sheng)停振(zhen)、輸出電(dian)(dian)(dian)壓跌(die)落等現象，就不會造(zao)成(cheng)(cheng)因電(dian)(dian)(dian)源引起(qi)的(de)(de)對用電(dian)(dian)(dian)設備(bei)的(de)(de)影(ying)響。
2 開關電源干擾耦合途徑
開關電源干(gan)擾耦(ou)合途徑(jing)有兩(liang)種(zhong)(zhong)方(fang)(fang)式：一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)傳(chuan)導耦(ou)合方(fang)(fang)式，另一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)輻射耦(ou)合方(fang)(fang)式。
2．1 傳導耦合
傳導耦合是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合必須在騷擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備，產生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關電源中，這3種耦合方(fang)式同時存在，互(hu)相聯系。
2．1．1電路性耦(ou)合
電路(lu)性耦合是最常見、最簡(jian)單的(de)傳導耦合方(fang)式。其又有以下(xia)幾種：
1)直接傳導(dao)(dao)耦合導(dao)(dao)線(xian)經過存在(zai)騷擾(rao)的環境時，即拾取騷擾(rao)能量并沿(yan)導(dao)(dao)線(xian)傳導(dao)(dao)至電路(lu)而造(zao)成對電路(lu)的干擾(rao)。
2)共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)耦(ou)合由于兩個以上電路有公共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)，當兩個電路的(de)電流(liu)流(liu)經一(yi)(yi)個公共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)時，一(yi)(yi)個電路的(de)電流(liu)在(zai)該公共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)上形成的(de)電壓就(jiu)會影響到另一(yi)(yi)個電路，這就(jiu)是共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)耦(ou)合。形成共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)耦(ou)合騷擾(rao)的(de)有電源輸出阻(zu)(zu)抗(kang)、接(jie)地(di)線的(de)公共(gong)阻(zu)(zu)抗(kang)等。
2 1．2電容性(xing)耦合(he)
電(dian)(dian)容性耦合(he)(he)也(ye)稱為電(dian)(dian)耦合(he)(he)，由于兩個(ge)電(dian)(dian)路(lu)之(zhi)生(sheng)(sheng)的尖峰(feng)電(dian)(dian)壓是一種有較(jiao)大幅(fu)度的窄(zhai)脈沖，其頻(pin)間(jian)存在(zai)寄生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)容，使一個(ge)電(dian)(dian)路(lu)的電(dian)(dian)荷(he)通過寄生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)容影響(xiang)到另一條支路(lu)。
2.1.3 電感性耦合
電(dian)(dian)(dian)感性耦(ou)(ou)合(he)也稱為(wei)磁耦(ou)(ou)合(he)，兩個電(dian)(dian)(dian)路之間存在互(hu)感時(shi)，當干擾源是以電(dian)(dian)(dian)源形式出(chu)現時(shi)，此電(dian)(dian)(dian)流(liu)所產生(sheng)的磁場通過互(hu)感耦(ou)(ou)合(he)對鄰近信號形成干擾。
2．2 輻射耦合(he)
通(tong)過輻(fu)射途徑(jing)造(zao)成的騷(sao)擾(rao)耦(ou)(ou)合稱為輻(fu)射耦(ou)(ou)合。輻(fu)射耦(ou)(ou)合是以電磁場的形式(shi)將電磁能量從騷(sao)擾(rao)源經空(kong)間傳輸到接受(shou)器。通(tong)常存在4種主要(yao)耦(ou)(ou)合途徑(jing)：天線耦(ou)(ou)合、導線感應耦(ou)(ou)合、閉合回(hui)路(lu)耦(ou)(ou)合和孔縫耦(ou)(ou)合。
2．2．1 天線與天線間的輻(fu)射耦合
在實際工程中，存在大量的天線電磁耦合。例如，開關電源中(zhong)長(chang)的信號線(xian)(xian)(xian)、控制線(xian)(xian)(xian)、輸入(ru)和輸出引線(xian)(xian)(xian)等(deng)具(ju)有天線(xian)(xian)(xian)效應，能夠接收電磁騷擾，形成天線(xian)(xian)(xian)輻射耦合。
2．2．2 電磁場(chang)對導(dao)線的感應(ying)耦合
開關電源的(de)(de)電纜(lan)線(xian)一般是由(you)信號回(hui)(hui)路的(de)(de)連接線(xian)、功(gong)率級(ji)回(hui)(hui)路的(de)(de)供電線(xian)以及地線(xian)一起(qi)構成(cheng)，其(qi)中每一根(gen)導(dao)線(xian)都由(you)輸入端阻抗(kang)、輸出端阻抗(kang)和返回(hui)(hui)導(dao)線(xian)構成(cheng)一個回(hui)(hui)路。因此(ci)，電纜(lan)線(xian)是內(nei)部電路暴露在機箱外面的(de)(de)部分，最易受到騷擾源輻(fu)射場的(de)(de)耦合而感應出騷擾電壓或騷擾電流(liu)，沿導(dao)線(xian)進入設備(bei)形成(cheng)輻(fu)射騷擾。
2．2．3 電磁場對閉合(he)回(hui)路的耦合(he)
電(dian)磁場(chang)對閉(bi)合(he)(he)回路的(de)(de)耦(ou)合(he)(he)是指回路受感應最大部(bu)分(fen)的(de)(de)長度小于波長的(de)(de)1／4。在(zai)輻射騷(sao)擾電(dian)磁場(chang)的(de)(de)頻率比(bi)較低的(de)(de)情(qing)況下，輻射騷(sao)擾電(dian)磁場(chang)與閉(bi)合(he)(he)回路的(de)(de)電(dian)磁耦(ou)合(he)(he)。
2．2．4 電磁(ci)場通(tong)過孔縫的耦合
電(dian)(dian)磁(ci)(ci)場通過孔縫的(de)耦合是(shi)指輻(fu)射騷(sao)擾電(dian)(dian)磁(ci)(ci)場通過非金(jin)屬(shu)設(she)備(bei)外(wai)殼(ke)、金(jin)屬(shu)設(she)備(bei)外(wai)殼(ke)上的(de)孔縫、電(dian)(dian)纜的(de)編織金(jin)屬(shu)屏(ping)蔽體(ti)等對其內部(bu)的(de)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)騷(sao)擾。
3 抑(yi)制干擾的一些措施
形成電(dian)磁(ci)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)(rao)的(de)(de)三要素是(shi)(shi)騷擾(rao)(rao)(rao)(rao)源(yuan)、傳播(bo)途(tu)徑(jing)和(he)(he)受擾(rao)(rao)(rao)(rao)設備(bei)(bei)。因而(er)，抑(yi)(yi)制(zhi)電(dian)磁(ci)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)(rao)也應(ying)(ying)該從(cong)這三方面人手，采取適當措(cuo)施。首先應(ying)(ying)該抑(yi)(yi)制(zhi)騷擾(rao)(rao)(rao)(rao)源(yuan)，直(zhi)接消除(chu)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)(rao)原因；其(qi)次是(shi)(shi)消除(chu)騷擾(rao)(rao)(rao)(rao)源(yuan)和(he)(he)受擾(rao)(rao)(rao)(rao)設備(bei)(bei)之(zhi)間(jian)的(de)(de)耦合和(he)(he)輻射(she)，切斷電(dian)磁(ci)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)(rao)的(de)(de)傳播(bo)途(tu)徑(jing)；第(di)三是(shi)(shi)提高(gao)受擾(rao)(rao)(rao)(rao)設備(bei)(bei)的(de)(de)抗擾(rao)(rao)(rao)(rao)能(neng)力，減低其(qi)對噪(zao)聲的(de)(de)敏感度。目前抑(yi)(yi)制(zhi)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)(rao)的(de)(de)幾種措(cuo)施基本上都是(shi)(shi)用切斷電(dian)磁(ci)騷擾(rao)(rao)(rao)(rao)源(yuan)和(he)(he)受擾(rao)(rao)(rao)(rao)設備(bei)(bei)之(zhi)間(jian)的(de)(de)耦合通道(dao)。常用的(de)(de)方法是(shi)(shi)屏(ping)蔽、接地和(he)(he)濾(lv)波。
1)采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾，即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進入該內部區域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用。為了抑制開關電源產生(sheng)的(de)輻射(she)，電(dian)(dian)磁騷擾對(dui)其他電(dian)(dian)子設備的(de)影響(xiang)，可完(wan)全按照(zhao)對(dui)磁場屏(ping)(ping)蔽的(de)方法來加工屏(ping)(ping)蔽罩，然(ran)后將整(zheng)個(ge)屏(ping)(ping)蔽罩與系統的(de)機殼和地連接為(wei)一體，就能對(dui)電(dian)(dian)磁場進行(xing)有效(xiao)的(de)屏(ping)(ping)蔽。
2)所謂接地，就是在兩點間建立傳導通路，以便將電子設備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點上。接地是開關電源設備抑制電(dian)磁干(gan)(gan)擾的(de)(de)重要(yao)方法，電(dian)源某些部(bu)分與大地(di)(di)(di)(di)相連(lian)可以起到(dao)抑制干(gan)(gan)擾的(de)(de)作用。在(zai)電(dian)路(lu)(lu)系統(tong)設計中應遵循“一(yi)點(dian)(dian)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)”的(de)(de)原則，如果形成多(duo)點(dian)(dian)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)，會出現(xian)閉(bi)合(he)的(de)(de)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)環路(lu)(lu)，當磁力線穿過該環路(lu)(lu)時將產(chan)生磁感應噪聲。實(shi)際上很難(nan)實(shi)現(xian)“一(yi)點(dian)(dian)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)”，因此，為(wei)降低接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)阻抗，消除分布(bu)電(dian)容的(de)(de)影(ying)響(xiang)而采取平面式或多(duo)點(dian)(dian)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)，利(li)用一(yi)個導電(dian)平面作為(wei)參考(kao)地(di)(di)(di)(di)，需要(yao)接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)的(de)(de)各部(bu)分就(jiu)近接(jie)(jie)到(dao)該參考(kao)地(di)(di)(di)(di)上。為(wei)進一(yi)步減小接(jie)(jie)地(di)(di)(di)(di)回(hui)路(lu)(lu)的(de)(de)壓降，可用旁(pang)路(lu)(lu)電(dian)容減少返回(hui)電(dian)流的(de)(de)幅值。在(zai)低頻(pin)和高頻(pin)共存的(de)(de)電(dian)路(lu)(lu)系統(tong)中，應分別將低頻(pin)電(dian)路(lu)(lu)、高頻(pin)電(dian)路(lu)(lu)、功率電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)地(di)(di)(di)(di)線單獨連(lian)接(jie)(jie)后，再連(lian)接(jie)(jie)到(dao)公共參考(kao)點(dian)(dian)上。
3)濾波是抑制傳導干擾的有效方法，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，可以抑制來自電網的干擾對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產生并向(xiang)電(dian)網反饋的(de)(de)干擾。在(zai)濾波電(dian)路(lu)中，還采(cai)用很(hen)多(duo)專用的(de)(de)濾波元件，如穿心電(dian)容(rong)器(qi)(qi)、三端電(dian)容(rong)器(qi)(qi)、鐵氧(yang)體磁環，它們能夠改善電(dian)路(lu)的(de)(de)濾波特性。恰當地(di)(di)設計或選擇濾波器(qi)(qi)，并正確地(di)(di)安裝(zhuang)和(he)使用濾波器(qi)(qi)，是抗干擾技術的(de)(de)重(zhong)要組(zu)成(cheng)部分。
選(xuan)擇濾波器時要注意以下幾點：
(1)明確工作頻(pin)(pin)率(lv)和(he)所要(yao)抑制的干擾頻(pin)(pin)率(lv)，如(ru)兩者非常接近，則需(xu)要(yao)應用頻(pin)(pin)率(lv)特性非常陡峭的濾(lv)波(bo)器，才(cai)能把(ba)兩種頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)開；
(2)保證濾波器在高壓情況下能夠(gou)可(ke)靠地工作；
(3)濾(lv)(lv)波器連續(xu)通以(yi)最大額定電流(liu)時，其溫升要(yao)低，以(yi)保證在(zai)該(gai)額定電流(liu)連續(xu)工作(zuo)時，不破壞濾(lv)(lv)波器中元件的工作(zuo)性能；
(4)為使工作時(shi)(shi)的濾波(bo)器頻率特性(xing)與設(she)計值相符合，要(yao)求(qiu)與它連接(jie)的信號(hao)源阻(zu)(zu)抗和負載阻(zu)(zu)抗的數值等于設(she)計時(shi)(shi)的規(gui)定值：
(5)濾波器必須具有屏蔽結構，屏蔽箱蓋和本體要有良好(hao)的電接觸，濾波器的電容引線(xian)應盡量(liang)短(duan)，最(zui)好(hao)選用短(duan)引線(xian)低電感的穿心(xin)電容；
(6)要有較高的工(gong)作可靠(kao)性，因為作防護電磁(ci)干(gan)擾用的濾波器(qi)，其(qi)故障往往比(bi)其(qi)他(ta)元器(qi)件的故障更難找(zhao)。
安(an)裝濾(lv)波(bo)器時應(ying)注意以下幾點：
(1)電(dian)源線(xian)路(lu)濾(lv)波(bo)器應(ying)安裝在離設備電(dian)源人口盡(jin)量靠近的地方，不要讓未經過(guo)濾(lv)波(bo)器的電(dian)源線(xian)在設備框內迂回；
(2)濾波器(qi)中的電容器(qi)引(yin)線(xian)應盡可(ke)能短，以(yi)免因引(yin)線(xian)感抗和容抗在較(jiao)低頻(pin)率上諧振；
(3)濾(lv)波(bo)器的(de)接地導(dao)線上有很大(da)的(de)短路(lu)電流通過，會(hui)引起附加的(de)電磁(ci)輻射，故(gu)應對濾(lv)波(bo)器元件(jian)本身進行良好的(de)屏蔽(bi)和接地處理；
(4)濾(lv)(lv)波(bo)器的(de)輸人和輸出線不能交叉(cha)，否則會因(yin)濾(lv)(lv)波(bo)器的(de)輸入和輸出電容(rong)耦合通(tong)路引起串(chuan)擾，從(cong)而降低濾(lv)(lv)波(bo)特性(xing)，通(tong)常(chang)的(de)辦(ban)法是(shi)輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。
4 結語
開關電源產生電磁干擾的因素還有很多，抑制電磁干擾還有大量的工作要做。全面抑制開關電源的各種噪聲將使開關電源更加安全可靠地運行。
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