開關(guān)電源因體積小,、功率因數(shù)較大等優(yōu)點，在通信,、控制,、計算機等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但由于會產(chǎn)生電磁干擾,，其進一步的應(yīng)用受到一定程度上的限制,。本文將分析開關(guān)電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機理，并在其基礎(chǔ)之上,，提出開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計方法,。
開關(guān)電源的電磁干擾分析
開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先將工頻交流整流為直流,，再逆變?yōu)楦哳l,，最后再經(jīng)整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓,。電路設(shè)計及布局不合理,、機械振動、接地不良等都會形成內(nèi)部電磁干擾,。同時,，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰,，也是潛在的強干擾源。
圖1 AC/DC開關(guān)電源基本框圖
1 內(nèi)部干擾源
● 開關(guān)電路
開關(guān)電路主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成,。開關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容,，它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富,。開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈,，是感性負(fù)載。當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時,，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E＝-Ldi/dt,，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比,，迭加在關(guān)斷電壓上,，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)干擾,。
● 整流電路的整流二極管
輸出整流二極管截止時有一個反向電流,，其恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。它會在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生很大的電流變化di/dt,，產(chǎn)生較強的高頻干擾,，頻率可達(dá)幾十兆赫茲。
● 雜散參數(shù)
由于工作在較高頻率,，開關(guān)電源中的低頻元器件特性會發(fā)生變化,，由此產(chǎn)生噪聲。在高頻時,，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大,，而分布電容成為電磁干擾的通道。
2 外部干擾源
外部干擾源可以分為電源干擾和雷電干擾,，而電源干擾以“共模”和“差模”方式存在,。同時，由于交流電網(wǎng)直接連到整流橋和濾波電路上,，在半個周期內(nèi),，只有輸入電壓的峰值時間才有輸入電流，導(dǎo)致電源的輸入功率因數(shù)很低（大約為0.6）,。而且,，該電流含有大量電流諧波分量，會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”,。
開關(guān)電源的EMC設(shè)計
產(chǎn)生電磁干擾有3個必要條件：干擾源,、傳輸介質(zhì)、敏感設(shè)備,，EMC設(shè)計的目的就是破壞這3個條件中的一個,。針對于此,，主要采取的方法有：電路措施,、EMI濾波,、屏蔽、印制電路板抗干擾設(shè)計等,。
1 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲的軟開關(guān)技術(shù)
軟開關(guān)是在硬開關(guān)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種基于諧振技術(shù)或利用控制技術(shù)實現(xiàn)的在零電壓/電流狀態(tài)下的先進開關(guān)技術(shù),。
軟開關(guān)的實現(xiàn)方法是：在原電路中增加小電感、電容等諧振元件,，在開關(guān)過程前后引入諧振,，消除電壓、電流的重疊,。圖2給出了一種使用軟開關(guān)技術(shù)的基本開關(guān)單元,。
圖2 降壓斬波器中的基本開關(guān)單元
2 減小干擾源干擾能量的緩沖電路
在開關(guān)控制電源的輸入部分加入緩沖電路（見圖3），其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)組成,，用于消除電力線干擾,、電快速瞬變、電涌,、電壓高低變化和電力線諧波等潛在的干擾,。緩沖電路器件參數(shù)為D1為MUR460，R1=500Ω,，C=6nF,，L=36mH，R=150Ω,。
圖3 緩沖電路3 切斷干擾噪聲傳播路徑的EMI濾波
在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器,，是抑制傳導(dǎo)發(fā)射的一個很有效方法。其參數(shù)主要有：放電電阻,、插入損耗,、Cx電容、Cy電容和電感值,。其中,，插入損耗是濾波器性能的一個關(guān)鍵參數(shù)。在考慮機械性能,、環(huán)境,、成本等前提下，應(yīng)該盡量使插入損耗大一些,。用共模,、差模干擾的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值，加上適當(dāng)?shù)脑Ａ靠傻玫綖V波器的插入損耗IL,。
ILCM(dB)=Vcm(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB) (1)
ILDM(dB)=VDM(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB) (2)
式中,，3dB表示在分離共模,、差模傳導(dǎo)干擾的測試過程中測試結(jié)果比實際值大3dB；M(dB)表示設(shè)計裕量,，一般取6dB,；Vlimit(dB)為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如CISPR,FCC等規(guī)定的傳導(dǎo)干擾限值。
圖4是220V/50Hz交流輸入的開關(guān)電源交流側(cè)EMI濾波器的電路,。Cy＝3300pF,，L1、L2＝0.7mH,，它們構(gòu)成共模濾波電路,，抑制0.5～30MHz的共模干擾信號。Cx＝0.1μF,，L3,、L4＝200～500μH，采用金屬粉壓磁芯,，與L1/L2,、Cx構(gòu)成L-N端口間低通濾波器，用于抑制電源線上存在的0.15～ 0.5MHz差模干擾信號,。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累,。
圖4 開關(guān)電源交流側(cè)EMI濾波器電路
圖5是開關(guān)電源的直流輸出側(cè)濾波電路，它由共模扼流圈L1,、L2,，扼流圈L3和電容C1、C2組成,。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用,，磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。
圖5 支流側(cè)濾波電路
4 用屏蔽來抑制輻射及感應(yīng)干擾
開關(guān)電源干擾頻譜集中在30MHz以下的頻段,，直徑r＜λ/2π,主要是近場性質(zhì)的電磁場,，且屬低阻抗場?？捎脤?dǎo)電良好的材料對電場屏蔽,，而用導(dǎo)磁率高的材料對磁場屏蔽。此外,，還要對變壓器,、電感器、功率器件等采取有效的屏蔽措施,。屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形,，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小,。接縫處要焊接,，以保證電磁的連續(xù)性。屏蔽外殼的引入,、引出線處要采取濾波措施,。對于電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地,。對于磁場屏蔽,，屏蔽外殼不需接地,。
5 合理的PCB布局及布線
敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設(shè)備相連的線路,。要降低干擾水平，最簡單的方法就是增大干擾源與敏感線路的間距,。但由于受電源尺寸的限制,，單純的增大間距并非解決問題的最佳途徑，更為合理的方法是根據(jù)干擾電場的分布情況將敏感線路放在干擾較弱的地方,。PCB抗干擾布局設(shè)計流程如圖6所示,。
圖6 PCB抗干擾布局設(shè)計流程