討論開關(guān)電源的電磁干擾?。ㄒ唬?/h1>

日期：2025-04-27 17:41

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摘要： 引言 電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否**可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源兩類。開關(guān)電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關(guān)電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的...

引言

電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否**可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源兩類。開關(guān)電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關(guān)電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可以采用體積較小的濾波元件和散熱器。

開關(guān)電源以其體積小、功率因數(shù)較大等諸多優(yōu)點，而在通信、控制、計算機等領(lǐng)域具有廣泛的用途。但是，由于其同時會產(chǎn)生電磁干擾，因而在一定程度上限制了開關(guān)電源的使用。

電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，它們不會因為內(nèi)部或彼此之間存在的電磁干擾而影響其正常工作。電磁兼容性是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中，按設(shè)計要求正常工作的能力。

電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設(shè)備有效性能的電磁能量。電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。按頻帶分，可分為寬帶干擾與窄帶干擾。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾。

1  開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機理

開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明。

1.1  二極管的反向恢復時間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/di）。

1.2  開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾

一般情況下，功率開關(guān)管在導通時，都會流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關(guān)時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。

1.3  交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。

開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

1.4  其他原因

元器件的寄生參數(shù),開關(guān)電源的原理圖設(shè)計不夠**，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性,PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，開關(guān)電源現(xiàn)在已經(jīng)大量投放市場。由于開關(guān)電源通常具有高功率密度、高效率等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用在計算機、電視機、通信設(shè)備、控制裝置等設(shè)備之中。隨著功率半導體器件，如MOSFETJGBT的發(fā)展和開關(guān)技術(shù)的進步，開關(guān)電源的開關(guān)頻率和功率密度不斷上升，這些都導致開關(guān)電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越惡劣，同時對周圍的電子設(shè)備及電源本身的正常工作造成了威脅。因此，降低開關(guān)電源的EMI成為開關(guān)電源設(shè)計中的重要課題之一。

在電力電子系統(tǒng)中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分（DC/DC部分）；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個PCB上。前者在多數(shù)情況下都是干擾源;后者則屬于弱電部分，是敏感設(shè)備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度，因而控制模塊可能會受到干擾而不能正常工作。開關(guān)電源的開關(guān)頻率不是很高，其產(chǎn)生的輻射干擾主要在其附近。由于開關(guān)頻率的提高將使體積減小、重量減輕，因而開關(guān)頻率的進一步提高，使得輻射干擾變得更為嚴重。與信號處理電路中線路阻抗匹配的情況不同，開關(guān)電源的干擾源阻抗與網(wǎng)絡(luò)不僅不配合，而且隨工況變化，這無疑給EMI濾波器的設(shè)計帶來了一定的困難。同時EMI濾波器中的L、C組件還必須受到很大的無功功率,這些降低了開關(guān)電源的整體效率，增大了開關(guān)電源的體積。另外，開關(guān)電源EMI濾波器在高頻段難以達到設(shè)計要求也是一個重要的問題。

1.5  開關(guān)電源EMI的特點

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關(guān)頻率不高（從幾十千赫茲到數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。

2  EMI形成的三個因素

2.1  電磁干擾源

電磁干擾源是指會產(chǎn)生EMI的組件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。電磁干擾源分為自然干擾源和人為干擾源。雷電放電，沙漠地區(qū)的沙暴和塵暴產(chǎn)生的局部EMI等。天電干擾源以及電阻等電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲等屬于自然干擾源。常見的人為干擾源包括電力線干擾源、旋轉(zhuǎn)機械干擾源、點火系統(tǒng)干擾源和功能干擾源。

2.2  敏感設(shè)備

敏感設(shè)備指的是可能對電磁干擾發(fā)生回應的設(shè)備。

2.3  耦合路徑或稱為耦合通道

耦合路徑指的是能把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設(shè)備上，并使該設(shè)備產(chǎn)生響應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，耦合干擾是通過“場”進行傳播的。因此，分析傳導干擾使用“電路”理論,而分析輻射干擾就必須采用電磁場理論。

由此可見，要消除電磁干擾，可以采取去掉干擾

源、切斷干擾路徑以及降低敏感設(shè)備的敏感度這三種辦法中的一種即可。

圖1所示為EMI形成的三個因素。

圖1    EMI形成的三個因素

3  EMC相關(guān)標準簡介

我國的EMC標準和規(guī)范制度工作開展較晚。1966年，我國制定了**個無線電干擾標準JB854-66“船用電氣設(shè)備無線電干擾端子電壓測量方法與允許值氣近年來，我國積極借鑒國際標準，制定了一系列EMC的標準和規(guī)范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能測量方法”，GJB1001—90“超短波輻射測量方法”等。

大多數(shù)國家的**和EMC標準通常是合在一起的。CE認證（即歐洲共同體認證）就是一個例子。另一個例子是CCC認證（中國強制認證）。大體上說，在相關(guān)地區(qū)銷售的產(chǎn)品必須有這些認證標志，并被認為是同時符合**和EMC標準的。這些**認證越來越被市場視為產(chǎn)品質(zhì)量的標志。一般電源工程師幾乎可以只考慮歐洲EMI標準中的EN550022C針對IT設(shè)備）。該標準*初（實際上沿用至今）被稱為CISPR22,它是我們應特別重視的標準。

4  實施電磁兼容性的方法

在電子技術(shù)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了三種實施電磁兼容性的方法。

4.1  問題解決法

該方法是先進行研制，*后根據(jù)研制成的設(shè)備和系統(tǒng)在聯(lián)試中出現(xiàn)的EMI問題，運用各種抑制干擾的技術(shù)去逐個解決。這種辦法十分落后，因為系統(tǒng)已經(jīng)裝配好，再去解決EMI問題是十分麻煩的事情。為了解決問題，可能要大量拆卸和修改，嚴重的也許還要重新設(shè)計。這會造成大量的人力、物力浪費，延誤系統(tǒng)開發(fā)周期。

規(guī)范法

規(guī)范法是按頒布的電磁兼容性標準和規(guī)范進行設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計制造。該方法在一定程度上能預防EMI問題的出現(xiàn)，比用問題解決法更為合理。但由于標準和規(guī)范不可能是針對某個設(shè)備系統(tǒng)制定的，因此,企圖解決的問題不一定是真正存在的問題，只是為了適應規(guī)范而已。另外，規(guī)范是建立在電磁兼容實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上的，沒有進行EMI的分析和預測，因而往往導致過多的預防儲備，可能使系統(tǒng)成本增加。

系統(tǒng)法

系統(tǒng)法是用計算機技術(shù)按預測程序針對某個特定系統(tǒng)的設(shè)計方案進行電磁兼容性預測和分析。系統(tǒng)法從設(shè)計開始就預測和分析設(shè)備的電磁兼容性，并在設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其進行電磁兼容性預測分析。如果預測結(jié)果表明存在不兼容問題，則可修改設(shè)計后再進行預測，直至預測結(jié)果表明完全兼容，才進行硬件生產(chǎn)。

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