许磊杰
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摘要：开关电源以其重量轻、体积小、效率高、可靠性高等优点得到了广泛的应用。然而，开关电源的电磁干扰不容忽视。近年来，随着科学技术的发展，电磁干扰问题涉及到的领域不断扩大。特别是消费类电子电源的体积越来越小，功率越来越大，开关电源的功率密度越来越大，电磁干扰越来越严重，将极大地影响人们的生活和设备的运行。因此，开关电源的电磁干扰抑制技术一直是国内相关技术人员的研究重点。
关键词：开关电源；电磁干扰；抑制技术
引 言
随着电子信息技术的飞速发展，开关电源以其转换效率高、稳定性好等优点被广泛应用于各个领域。开关电源在实际应用中经常发生电磁干扰，影响开关电源的使用体验。解决开关电源的电磁干扰问题，促进开关电源的可靠稳定应用。
一、开关电源工作机理
开关电源的主要作用是将电网交流电，转换为设备所需要的直流电，保证用电设备的正常运转。开关电源电路主要由以下的部分组成：一、输入整流滤波电路；二、反馈控制电路；三、初级功率回路；四、次级整流滤波电路。
其中输入滤波电路主要包括过滤电网杂波的输入滤波器，其能阻止开关电源本身产生的干扰影响到电网，同时也能滤除电网的干扰，保证开关电源正常运行。整流电路，将电网交流电转化为脉冲直流电。给控制回路提供能量基础；
反馈控制电路是是利用现代电力电子技术，通过对输出电压电流的采样比较，反馈控制开关管开通和关断的时间比率，以实现稳定输出，来满足电气设备的要求，保证整个电气部分的正常运行。
初级功率回路主要由高频变压器、初级开关管、功率检测电阻等组成。接受反馈控制回路的调节，将整流电路的脉冲直流电，通过高频变压器传递到次级；
次级整流滤波电路主要由次级二极管，储能及滤波电容和恒流恒压控制电路组成。和反馈控制电路相关联，将变压器从初级传递的能量整流后进行一系列的处理，以提供设备所需的直流电压和电流。
二、电磁干扰的危害
开关电源内部出现的电磁干扰可分为两种，一种是干扰信号通过导线或公共电源线进行传输，互相产生干扰称为传导干扰；另外一种是开关电源产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备，称为辐射干扰。电子干扰的危害可大致分为以下几方面：1.对电子系统、设备的危害。强烈的电磁干扰可能使灵敏的电子设备的半导体零件因过载击穿短路而损坏，造成设备不能正常运行；直接涉及到人们的消费、生活，工厂的运行，医院的运转，交通的紊乱等；2.对军事设施产生危害。强的电磁干扰会影响到无线电传播，导制军事导弹偏离飞行弹道；影响飞机操作系统失稳、航向不准、雷达天线跟踪位置偏移等；3.对人身健康的影响。电磁辐射一旦进入人体细胞组织就会引起生物效应，使人身产生不适。甚至出现基因突变；4.造成环境污染。电磁干扰还会对植物的生长产生影响，出现畸变。对电子设备的影响，导致的设备损坏产生不必要的电子垃圾，对环境产生一系列的污染。
三、开关电源电磁干扰形成原因
3.1高频变压器产生的电磁干扰
开关电源的输入整流后的电流为尖脉冲电流，开关导通或关断时，变换器的电压和电流变化率很高，波形中含有大量的高频谐波。变压器的一次绕组和二次绕组之间的电位差在高频时会发生变化。通过寄生电容的耦合，在一次侧和二次侧之间产生共模传导电磁干扰电流和空间辐射干扰。
3.2开关管形成的电磁干扰
在主开关管的开关过程和整流二极管的反向恢复过程中，电路的寄生电感和电容可以在高频振荡时产生非常大的脉冲，其频带较宽，谐波丰富。 产生这种电磁干扰的原因是感性负载的出现。换句话说，开关管负载就是高频变压器的初级线圈。开关线接通的瞬间，初级线圈直接产生很大的浪涌电流，同时初级线圈两侧产生很大的电压。在开关电路断开的瞬间，由于初级线圈的漏磁通，部分能量没有从初级线圈传递到次级线圈。电感中储存的能量在集电极电路的电容和电阻处形成峰值阻尼振荡，直接与关断电压重叠，形成关断电压尖峰效应。当电源电压被切断时，瞬时产生与初级线圈导通时相同的磁化冲击电流，造成电磁干扰。
3.3整流电路形成的电磁干扰
整流电路是开关电源电路的关键部分。整流电路接通后，二极管的阳极导通，二极管两端的电压显著升高，二极管PN结处的电荷大量积聚，阳极电流在一定程度上增大。同时，随着变压器二次线圈开关的高频变换，二极管PN结会在短时间内发生变化，引起电路电流反转现象，导致高频电流衰减和振荡，产生电磁干扰。
3.4二极管的反向恢复时间引起的干扰
由于整流二极管正向导通，因此流过非常大的正向电流。 在整个高频电流回路中，当施加反向电压时，正向电压被迫开启。 由于许多载流子积累，电流在载流子耗散的过程中直接沿相反方向流动。 由此可见，丢失载流子的反向恢复导致电流大幅度下降，直接导致电流发生很多变化，从而产生非常大的电磁干扰。
四、开关电源电磁干扰的抑制技术
开关电源中电磁干扰的相关抑制技术主要从以下几个方面进行分析和研究。 一是尽量减少电磁干扰源的干扰信号，二是有效阻断电磁干扰信号的耦合路径，三是不断提高电容器的抗干扰性能。 关于抑制开关电源电磁干扰的技术，在实际使用过程中对相应公司采用的具体技术进行了深入调查研究，据不完全统计，近年来开关电源电磁干扰方面的问题越来越多的被关注，使用的抑制技术也在不断变化。
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4.1软开关抑制技术
软开关抑制技术是一种智能控制与谐振技术。在开关电源的开关电路中，为了消除电压和电流的重叠，在开关前后引入了谐振。降低开关损耗和开关噪声。该技术针对开关电源体积小、频率高的特点，有效地控制了开关的噪声和损耗。软开关在原有的开关上增加了电感、电容等元件，在一定程度上减少了电流和电压的重叠，并通过改进电路降低了噪声。软开关技术大致可分为（1）准谐振变换器、（2）PWM变换器（零开关）、（3）谐振变换器、（4）PWM变换器（零变换）。准谐振转换器是一种增加了谐振元件控制技术的PWM开关。谐振型转换器基于标准的标准型 PWM 转换器，在转换器中添加了谐振网络，以实现开关中的零电压电流。零开关 PWM 利用与开关的谐振来实现电流换向。另外，有必要将PWM方法应用到实际电路中。通过零开关PWM变换器，建立谐振网络，形成零开关条件。在软开关技术中，必须注意辅助电路的添加和实现，才能有效抑制开关电源的电磁干扰。
4.2开关频率调制技术
开关频率调制（SFM）是基于开关干扰能量集中于某一特定频率的事实。通过频率调制，能量可以分散在一个较宽的频带内，以降低干扰频谱的峰值。通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。在实际应用和研究过程中，随机频率控制方法主要是在开关电源开关电路的开关间隔中加入随机干扰分量，从而有效分散某一频率点的噪声能量，抑制电磁干扰。调制频率法是一种基于电感和电容的开关电源，它将噪声传播到更宽的频带，在离散的频带周围形成边带。因此，可以在一定的频率下降低峰值噪声和平均噪声。这样，干扰能量在这些分布的频率上传播。以达到抑制干扰的目的。
4.3屏蔽抗干扰抑制技术
开关电源在实际工作的过程中，会在空间产生一定的磁场和电场。所以在进行电磁干扰抑制的过程中，将电磁干扰的源头以及受干扰物之间进行有效的隔离。这种屏蔽技术主要分为两种方式：第一种是静电屏蔽。这种方法主要适用于静电场的阻抗以及恒定电场的干扰；第二种是电磁屏蔽，屏蔽是通过金属制成的壳子、盒子等屏蔽体，将电磁波局限于某个区域内，再进行有效的接地，达到抑制电磁干扰的目的。开关电源中常见的屏蔽方法有电源线增加屏蔽层；开关管散热片接地；对变压器屏蔽尤为重要，主要是减小变压器漏感磁通对周围电路产生电磁感应干扰，以及对外产生电磁辐射干扰。内部屏蔽：在原边绕组和和副边绕组之间增加屏蔽绕组或铜箔，接到原边静点，主要目的是将原边的共模干扰信号通过屏蔽层回流到静点。如果没有这个屏蔽层，有一部分共模干扰信号就会通过原副边绕组之间的层间分布电容传递到副边，引起电磁干扰问题。外部屏蔽：在变压器的外部紧贴磁芯和绕组包覆一层铜箔，铜箔要闭合，形成一个环路。变压器的漏感磁场不在磁芯内部闭合，而是泄漏到外部空间，在高频应用时，较强的漏磁场会产生较强的电磁干扰。如果有外部屏蔽层，交变漏磁通穿过铜箔的时候会产生涡流，而涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被 抵消。从而抑制电磁干扰。
4.4滤波抑制技术
滤波抑制是最常用的电磁干扰抑制技术之一。具体应用方式是将滤波器与开关电源的输入输出接口相连，可以抑制开关电源网络中产生的干扰信号。干扰信号可分为cm和DM。共模干扰是指载波与地之间的干扰，差模干扰是指载流体之间的干扰。共模干扰不仅具有频率范围宽的特点，而且具有较强的干扰性。差模干扰因其振幅小、频率低、自干扰小而存在于电源相线之间。在开关电源的输入端加入适当的滤波器，可以有效地抑制电磁干扰。该滤波器由共模扼流圈、差模电感和X电容组成。差模电容用于短路差模干扰电流。共模扼流圈由两个匝数相同的线圈按照同一方向绕指在磁环上，磁环是具有高磁导率和良好频率特性的铁氧体。当电流通过共模扼流圈时，串联的线圈产生磁力线相互抵消。对于共模干扰电流，两个线圈产生相同的磁场方向和较大的电感，从而衰减共模干扰信号。
4.5缓冲电路抑制技术
在开关电源的开关管和二极管上加入缓冲电路，是抑制电磁干扰的典型方法。在高速开关过程中，由于变压器的漏感和线路电感，二极管的存储容量和分布电容容易在开关管和二极管两端产生峰值电压。可以添加RC或RCD吸收缓冲电路。当吸收电路的峰值超过一定范围时，吸收电路会吸收浪涌能量，并在一定程度上限制浪涌电压。此外，在输入整流滤波电路中加入磁珠，抑制某些差模干扰也是一种常用的缓冲电路。磁芯线圈或微晶插入开关管和输出二极管的引线中。当磁芯充满正常电流时，电感很小。当电流反向流动时，会产生较大的反向电势，有效抑制反向浪涌电流，抑制电磁干扰。
4.6 PCB抑制技术
PCB抑制技术的目的是减少干扰源和旁路干扰信号，解决pcb之间的串联干扰问题。开关电源常见的PCB抑制技术主要有以下几种：1. 尽量减小功率回路的有效面积。最重要的是初级主功率回路，PCB上所包围的面积越小越好，开关集电极铜箔不宜过大。铜箔应尽可能呈圆形或多边形。干扰信号不应扩散。主电路的线路应尽可能短和宽。还有次级电源电路、初级整流滤波电路、初级吸收电路、初级VCC电路、输入滤波电路等，都要遵循这一原则；2.采用双线传输和阻抗匹配。对于干扰严重或易受干扰的电路，应采用两条相邻的线路传输信号，使两条线路产生的磁力线相互抵消。从而减少电磁干扰，提高干扰灵敏度。3. 防止干扰信号在电路中谐振。电场辐射的干扰是由高频信号充电导体或导线引起的。PCB Layout时，导线的长度和表面积应尽量减少。磁场干扰的原因是导体或电路中存在高频电流。在布线PCB时，电路的长度和电流回路面积应该最小化。当载波长度为干扰信号波长的四分之一的整数倍时，干扰信号会在电路中产生谐振，加剧辐射干扰。因此，应在PCB上增加一些抗干扰措施或屏蔽措施，尽量避免干扰信号的叠加和谐振。
结束语
综上所述，开关电源产生电磁干扰的主要原因有谐波干扰、快速开关引起的du/dt干扰、二极管反向恢复时间引起的干扰。 因此，基于这些干扰源抑制干扰的方法主要有软开关抑制技术、开关频率调制技术、屏蔽防干扰、滤波抑制技术、缓冲电路抑制技术、PCB抑制技术等。 常见的应用需要通过不同的方式进行组合，才能有效衰减和抑制来自开关电源的电磁干扰。
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