高頻開關(guān)電源電磁干擾

1、. . . 10 / 13容摘要現(xiàn)代電子、通信技術(shù)的發(fā)展對電源的要求越來越高。高頻開關(guān)電源以其體積小、重量輕、變換效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于家電、計算機、通信、控制等設(shè)備中。但高頻開關(guān)電源固有的高頻輻射與傳導(dǎo)的電磁干擾發(fā)射對開關(guān)電源效率與使用的影響已成為人們關(guān)注的熱點。因此，本文主要研究了高頻開關(guān)電源電磁干擾與其抑制措施。論文首先介紹了開關(guān)電源的概念、高頻開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因，并綜述了高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，其次具體探討了抑制高頻開關(guān)電源電磁干擾的措施。關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源；電磁干擾；抑制措施目 錄容摘要I引言11 高頻開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因分析21.1 開關(guān)電源的定義21.2 高頻開

2、關(guān)電源的電磁干擾分析21.3 高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢32 高頻開關(guān)電源的電磁干擾的抑制措施62.1 抑制開關(guān)電源中各類電磁干擾源62.2 破壞電磁干擾傳輸途徑62.3 其它解決方法83 高頻開關(guān)電源電子干擾濾波的分析與仿真93.1 研究方法和實驗方案93.2 開關(guān)電源電磁干擾的仿真10結(jié)論12參考文獻(xiàn)13引 言開關(guān)電源由于具有體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)壓圍寬等許多優(yōu)點，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于計算機與其外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域。然而，開關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲干擾卻形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，不僅對與通信電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)

3、備與電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，同時對由通信電源供電的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，使設(shè)備不能正常工作；另一方面嚴(yán)重的諧波電壓電流在開關(guān)電源部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。因此，只有提高開關(guān)電源的電磁兼容性，才能發(fā)揮開關(guān)電源的更大優(yōu)勢，使開關(guān)電源在那些對電源噪聲指標(biāo)有嚴(yán)格要求的場合下被采用。1 高頻開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因分析1.1 開關(guān)電源的定義開關(guān)電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn)的，開關(guān)電源這一稱謂也是相對于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。顧名思義，開關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。這樣一來，如果把四大類基本電力電子電路（AC-DC電路、DC-AC電路、AC-AC

4、電路、DC-DC電路）都看成電源電路，則所有的電力電子電路也都可以看成開關(guān)電源電路。但是在實際應(yīng)用中，開關(guān)電源所涵蓋的圍比這個圍要小的多。同時具備三個條件的電源可稱之為開關(guān)電源，這三個條件就是：開關(guān)（電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)）、高頻（電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻）和直流（電源輸出是直流而不是交流）。1.2 高頻開關(guān)電源的電磁干擾分析根據(jù)開關(guān)電源的工作原理可知，開關(guān)電源本身就是一個很強的電磁干擾源。開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按干擾源種類，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾通過交流電源傳播，頻率低于30MH

5、z；輻射干擾通過空氣傳播，頻率在30MHz以上。下面就以傳導(dǎo)干擾和輻射干擾來分析開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。（1）一次整流器一次整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因為工頻交流正弦波電源通過整流后變成單向脈動電源，已不再是單一頻率的電流，此電流可分解為一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量之和，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。（2）開關(guān)管與二次整流管開關(guān)管、二次整流管高頻通斷時所產(chǎn)生的電壓、電流變化率dv/dt、di/dt是具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是一個很強的干擾源。開

6、關(guān)管是開關(guān)電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。（3）高頻開關(guān)變壓器開關(guān)管負(fù)載為高頻開關(guān)變壓器初級線圈，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭壘€圈，而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變。這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入、輸出端，形成傳導(dǎo)干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。另外，高頻開關(guān)變壓器初級線圈、開

7、關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。（4）控制電路引起的電磁干擾控制電路中周期性的高頻脈沖信號，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周圍電路產(chǎn)生電磁干擾。（5）雜散參數(shù)影響產(chǎn)生的電磁干擾在傳導(dǎo)干擾頻段，多數(shù)開關(guān)電源干擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在的開關(guān)

8、電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導(dǎo)的傳導(dǎo)干擾。1.3 高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢（1）高頻化電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積、重量與供電頻率的平方根成反比，當(dāng)把頻率從50Hz提高到20kHz以上，提高幾百倍甚至上千倍的話，用電設(shè)備的體積和重量大體可以下降至工頻設(shè)計的5%10%以上。電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源通過實現(xiàn)功率變換成為“開關(guān)變換類電源”，不僅可以大幅度節(jié)

9、約材料，還可節(jié)約用電30%以上。（2）模塊化在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件（包括磁集成技術(shù)）等發(fā)展階段。隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計觀念被推廣到大容量、高電壓的電源系統(tǒng)，產(chǎn)品設(shè)計中提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊（IPEM）。IPEM將功率器件與電路、控制以與檢測、執(zhí)行等元件集成為一體封裝的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，也可用于專用、特殊設(shè)計。無論是AC/DC或是DC/DC變換器都是朝著模塊化方向發(fā)展，其特點是：可用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計成N+1冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)熱更

10、換，從而在運行中出現(xiàn)故障時能快速更換模塊插件；多臺模塊并用可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)需要擴充容量。（3）并聯(lián)均流隨著高頻電源技術(shù)與新型功率器件的發(fā)展，對大容量高頻開關(guān)電源的研究和開發(fā)已成為當(dāng)今電力電子學(xué)的主要研究領(lǐng)域，并派生了多個新的研究方向。從電路的角度來考慮開關(guān)電源的容量擴充技術(shù)，可分為兩大類：第一類，通過器件的串、并聯(lián)增大電源的工作電壓或電流，實現(xiàn)擴容的目的。該技術(shù)必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)目越多，裝置的可靠性越差。第二類，通過多臺單機電源的并聯(lián)，實現(xiàn)擴容和冗余設(shè)計

11、的目的。該技術(shù)是在器件并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元或一個模塊。通過改變并聯(lián)模塊的數(shù)量來滿足不同功率的負(fù)載，設(shè)計靈活。模塊化電源系統(tǒng)完全打破了單機電源在功率上的局限，用戶可以根據(jù)電源的功率需求進(jìn)行組合，當(dāng)某一模塊發(fā)生故障，可以熱更換此模塊，而其他模塊平均分擔(dān)該故障模塊的負(fù)載，不影響整個系統(tǒng)的工作。（4）數(shù)字化在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的?，F(xiàn)在數(shù)字信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善，顯示出越來越多的優(yōu)點：1）通過軟件實現(xiàn)采

12、樣信號數(shù)據(jù)處理以與復(fù)雜控制算法，使電源具有智能化特點。2）電源工作參數(shù)通過軟件更改并固化在非易失性存儲器中，升級方便靈活。3）高性能微控制器可以在實現(xiàn)復(fù)雜功能要求的同時，簡化電源系統(tǒng)的硬件電路。4）采用數(shù)字控制技術(shù)，突破了模擬電路的瓶頸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。5）有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。由于數(shù)字電路的種種優(yōu)點，數(shù)字開關(guān)電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用在計算機、通訊、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，成為國外開關(guān)電源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。（5）綠色化在致力于節(jié)能減排，提高能源利用率的大趨勢下，大功率電源系統(tǒng)的綠色化成為一個越來越重要的問題。所謂電源綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染

13、的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能或盡量減少對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會（IEC）對此制訂了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IEC917、IEC1000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)諸如嚴(yán)重的高次諧波電流，使功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為21世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。2 高頻開關(guān)電源的電磁干擾的抑制措施2.1 抑制開關(guān)電源中各類電磁干擾源（1）功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)為了解決輸入電流波形畸變和降低電

14、流諧波含量，開關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時也提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)。（2）軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開關(guān)器件開通和關(guān)斷時會產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾與開關(guān)損耗的主要原因。使用軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關(guān)管或高頻變壓器初級線圈兩端的尖峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。（3）整流管串聯(lián)電感電路輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題

15、可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個飽和電感來抑制，飽和電感與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線；當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對外部的干擾。2.2 破壞電磁干擾傳輸途徑（1）采用電源輸入EMI濾波器濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾

16、，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還可采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。在電源進(jìn)線端通常采用如圖2.1所示電路。該電路對共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。圖2.1 電源輸入EMI濾波器圖2.1中各元器件的作用： L，C1，C2用于濾除共模干擾信號。L是共模電感，通常電感量為2mH33mH左右。C1，C2為旁路電容，又稱Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過大會影響設(shè)備的絕緣性能。 C3，C4用于濾除差模干擾信號。C3，C4為電源跨

17、接電容，又稱X電容。常用瓷電容或聚脂薄膜電容。電容量取0.22F0.47F。（2）采用開關(guān)管和輸出二極管的緩沖電路由于開關(guān)管和輸出二極管的高速開關(guān)引起的干擾，可以通過增加緩沖電路來減小。如圖2.2所示：圖2.2 緩沖電路 圖2.2中C1，R1，D1組成snubber電路，吸收殘存在變壓器漏感中的能量，能夠減小開關(guān)管關(guān)斷時的浪涌電壓。 圖2.2中C2，R2，D2組成開關(guān)管緩沖電路，減小開關(guān)管的dV/dt，即減小由此產(chǎn)生的干擾。 圖2.2中C3，R3組成輸出二極管的緩沖電路，減小di/dt，另外輸出二極管應(yīng)采用肖特基或者超快速恢復(fù)二極管。.使用屏蔽和接地降低電磁敏感設(shè)備的敏感性采用屏蔽技術(shù)可以有效

18、地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容，開關(guān)電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾，解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁干擾對其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進(jìn)行有效的屏蔽

19、。電源某些部分與相連可以起到抑制干擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導(dǎo)體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與相連，可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與相連。2.3 其它解決方法（1）采取合理的印制板布局印制板布局時，要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點?？刂齐娐泛凸β孰娐贩珠_，采用單點接地方式。脈沖電流流過的區(qū)域最好遠(yuǎn)離輸入輸

20、出端子，使噪聲源和出口分離。盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積，緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管，器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。在Vdd與Vcc電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑。（2）采取合理的PCB布線PCB布線時，高頻數(shù)字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，同時電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次，可以根據(jù)耦合系數(shù)來布線，盡量減少干擾耦合。印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。另外相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式

21、，線寬不要突變，也不要突然拐角，禁止環(huán)形走線。濾波器的輸入和輸出線必須分開，禁止將開關(guān)電源的輸入線和輸出線捆扎在一起。3 高頻開關(guān)電源電子干擾濾波的分析與仿真3.1 研究方法和實驗方案（1）開關(guān)電源頻率分布根據(jù)開關(guān)電源產(chǎn)生共模、差模干擾的特點，可以粗略按干擾的分布劃分3個頻段:0.150.50MHz差模干擾為主；0.55MHz差模、共模干擾共存；530MHz共模干擾為主。（2）共模和差模等效電路在進(jìn)行EMI電源濾波器電路結(jié)構(gòu)分析時，通常將共模干擾和差模干擾分開分析，分別計算各自等效電路的A參數(shù)矩陣，并得出對應(yīng)的插入損耗。分別給出濾波器在理想狀態(tài)下的共模等效電路和差模等效電路如圖3.1、圖3.2

22、所示。圖3.1 理想共模等效電路 圖3.2 理想差模等效電路（3）干擾信號分析近年來，共模和差模干擾信號分離技術(shù)發(fā)展日漸成熟，可通過多種方法獲得共模和差模干擾信號各自的相量成分大小。常用的干擾信號分離方法有電流探棒、差模拒斥網(wǎng)絡(luò)以與干擾分離器等。在進(jìn)行傳導(dǎo)型電磁干擾測量時，必須使用傳輸線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，它是電磁兼容檢測規(guī)定的線性阻抗固定網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是提供待測物工作電源，隔絕外部干擾，并提供一個固定阻抗，以攝取待測物干擾，利用頻譜分析儀讀取干擾的大小，測量電路如圖3.3所示。當(dāng)分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時，便可利用共模和差模等效濾波電路，并依據(jù)所需的衰減量設(shè)計適當(dāng)?shù)脑蹈鶕?jù)現(xiàn)有條件，通過對測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求的綜合分析可得濾波器抑制共模和差模干擾需要達(dá)到衰減量。共模和差模插入損耗與頻率對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。圖3.3 傳導(dǎo)型MEI測量裝置表3.1 插入損耗和頻率的對應(yīng)關(guān)系f/MHz0.20.40.60.8l510共模電路插入損耗/dB43505868705855差模電路插入損耗/dB505662667064583.2 開關(guān)電源電磁干擾的仿真所有算法采用Matlab語言編程實現(xiàn)。從程序功能分為濾波器設(shè)計和濾波器分析兩大模塊。（1）共模電感和差模電感的計算