1 前言

    開(kāi)關(guān)電源因具有體積小,、重量輕、效率高,、工作可靠,、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于工業(yè),、通訊,、軍事、民用,、航空等各個(gè)領(lǐng)域,。

    在很多場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)電源,，特別是通信開(kāi)關(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力,，如對(duì)浪涌、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力,，對(duì)靜電,、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁波等的抗干擾能力,，保證自身能夠正常工作以及對(duì)設(shè)備供電的穩(wěn)定性,。  
一方面，因開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)管,、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器,，是在高頻開(kāi)關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波,。在高壓大電流的方波切換過(guò)程中,，將產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流,，一方面通過(guò)電源輸入線(xiàn)或開(kāi)關(guān)電源的輸出線(xiàn)傳出,，對(duì)與電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)備及電網(wǎng)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(kāi)關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低,。還有部分電磁場(chǎng)通過(guò)開(kāi)關(guān)電源機(jī)殼的縫隙,，向周?chē)臻g輻射，與通過(guò)電源線(xiàn),、直流輸出線(xiàn)產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng),，一起通過(guò)空間傳播的方式，對(duì)其它高頻設(shè)備及對(duì)電磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備造成干擾,，引起其它設(shè)備工作異常,。 

    因此，對(duì)開(kāi)關(guān)電源要限制由負(fù)載線(xiàn),、電源線(xiàn)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾,，及由輻射傳播的電磁場(chǎng)干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設(shè)備均能夠正常工作,，互不干擾[1][2],。

2 國(guó)內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)[1]

    電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。

    要徹底消除設(shè)備的電磁干擾及對(duì)外部一切電磁干擾信號(hào)是不可能的,。只能通過(guò)系統(tǒng)地制定設(shè)備與設(shè)備之間允許產(chǎn)生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標(biāo)準(zhǔn),，才能使電氣設(shè)備及系統(tǒng)間達(dá)到電磁兼容的要求。國(guó)內(nèi)外大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn),，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件,。

    國(guó)際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì)（CISPR）是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）下屬的一個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化組織，設(shè)六個(gè)分會(huì),。早在1934年就開(kāi)展EMC標(biāo)準(zhǔn)的研究,。其中第六分會(huì)（SCC）主要負(fù)責(zé)制定關(guān)于干擾測(cè)量接收機(jī)及測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)。CISPR16《無(wú)線(xiàn)電干擾和抗干擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范》對(duì)電磁兼容性測(cè)量接收機(jī),、輔助設(shè)備的性能以及校準(zhǔn)方法給出了詳細(xì)的要求,。CISPR17《無(wú)線(xiàn)電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測(cè)量》制訂了濾波器的測(cè)量方法。CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備無(wú)線(xiàn)電干擾限值和測(cè)量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15MHz~1000MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾限值,。CISPR24《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備對(duì)外部干擾信號(hào)的時(shí)域及頻域的抗干擾性能要求,。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包括通信開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法要求,，是目前通信開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求,。

    IEC最近也出版了大量的基礎(chǔ)性電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的是IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn),。它規(guī)定電子電氣設(shè)備的雷擊,、浪涌（SURGE）、靜電放電（ESD）,、電快速瞬變脈沖群（EFT）,、電流諧波、電壓跌落、電壓瞬變及短時(shí)中斷,、電壓起伏和閃爍,、輻射電磁場(chǎng)、由射頻電磁場(chǎng)引起的傳導(dǎo)干擾抗擾度,、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。

    另外,，美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)制定的FCC15,、德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)制訂的VDE0871、2A1,、VDE0871,、2A2、VDE0878,，都對(duì)通信設(shè)備的電磁兼容性提出了要求,。

    我國(guó)對(duì)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的研究比較晚，采取的最主要的辦法是引進(jìn),、消化,、吸收，洋為中用是國(guó)內(nèi)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)制訂的最主要方法,。1998年,，信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)及ITU-T0.41標(biāo)準(zhǔn),，制定了YD/T983-1998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測(cè)量方法》,，詳盡規(guī)定了通信電源設(shè)備包括通信開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性的具體測(cè)試項(xiàng)目、要求及測(cè)試方法,，為通信電源電磁兼容性的檢驗(yàn),、達(dá)標(biāo)并通過(guò)入網(wǎng)檢測(cè)明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

    國(guó)標(biāo)也等同采用了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),。如GB/T17626.1~12系列標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn),；GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)電干擾限值及測(cè)量方法》等同采用CISPR22；GB/T17618-1998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》等同采用CISPR24,。

    3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題的由來(lái)

    電磁兼容產(chǎn)生的3個(gè)要素為：干擾源,、傳播途徑及受干擾體。

    開(kāi)關(guān)電源因工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,，其引起的電磁兼容性問(wèn)題是相當(dāng)復(fù)雜的,。我們從開(kāi)關(guān)電源的組成原理來(lái)分析其產(chǎn)生電磁干擾的原由。

    開(kāi)關(guān)電源的種類(lèi)很多,，按電路結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)式和直流變換式兩種,；按激勵(lì)方式可分為自激和他激兩種；按開(kāi)關(guān)管的組合可分為單管、全橋,、半橋,、推挽，等等,。然而,，無(wú)論何種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源，均是利用半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān),，以開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比例來(lái)控制輸出電壓的高低,。由于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率都在幾十至幾百kHz，所以線(xiàn)路中的電流和電壓變化率都很大,，產(chǎn)生了很大的電磁干擾,，它們會(huì)通過(guò)電源線(xiàn)以共模和差模的方式向外傳輸干擾，同時(shí)也會(huì)向周?chē)臻g輻射干擾,。圖1是普通開(kāi)關(guān)電源線(xiàn)路圖,，用于說(shuō)明電源中電磁干擾的產(chǎn)生與耦合途徑。 

    圖1 開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)圖

    3.1輸入整流回路

    在輸入整流回路中,，整流管VD1~VD4只有在脈動(dòng)電壓超過(guò)輸入濾波電容C1上的電壓的時(shí)候才能導(dǎo)通,，電流才從市電電源輸入，并對(duì)C1進(jìn)行充電,。一旦C1上的電壓高于市電電源的瞬時(shí)電壓,，整流管截止。所以,，輸入整流回路的電流是脈沖性質(zhì)的,，有著豐富的高次諧波電流。輸入電流與市電電源電壓的不同步,，還導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)低下,。

    3 .2開(kāi)關(guān)回路

    開(kāi)關(guān)電源在工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT處于高頻通斷狀態(tài),，經(jīng)由高頻變壓器T的初級(jí)線(xiàn)圈,、開(kāi)關(guān)管VT和輸入濾波電容C1形成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。這個(gè)環(huán)路的存在,，就有可能對(duì)空間形成電磁輻射,。 
輸入濾波電容C1對(duì)電磁干擾的形成也有一定的影響，如果C1的電容量不足夠大,，則輸入濾波效果不好,，這時(shí)高頻電流還會(huì)以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去。

    此外,，在開(kāi)關(guān)回路中,，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是高頻變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈,，是電感性的，由于高頻變壓器的結(jié)構(gòu)不是完全理想的,，除了初級(jí)電感外,，還存在一定的漏電感。所以,，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間,，變壓器中存儲(chǔ)的能量不能完全地傳送到次級(jí)，結(jié)果在高頻變壓器的漏電感上感應(yīng)出一個(gè)尖峰高電壓,，如果尖峰有足夠高的幅度,，很有可能會(huì)造成開(kāi)關(guān)管VT的擊穿。

    3.3 次級(jí)整流回路

    開(kāi)關(guān)電源在工作時(shí),，次級(jí)整流回路的VD5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級(jí)線(xiàn)圈,、整流二極管VD5和濾波電容C2構(gòu)成了高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路,。由于有這個(gè)環(huán)路的存在，同樣也有可能對(duì)空間形成電磁輻射,。 
次級(jí)整流回路中的二極管在正向?qū)〞r(shí),，PN結(jié)被充電；在加反向電壓時(shí),，積累的電荷將被拋散,，并因此產(chǎn)生反向電流，這個(gè)過(guò)程非常短暫,。所以,，在有分布電感和分布電容存在的回路里，實(shí)際上也形成了一個(gè)高頻的諧振電路,，當(dāng)二極管截止瞬間的電流變化非常劇熱時(shí),，在整個(gè)次級(jí)整流回路中會(huì)產(chǎn)生高頻衰減振蕩。

    3.4控制回路

    在控制回路中的脈沖控制信號(hào)是主要的干擾源,，只不過(guò)與其它各項(xiàng)干擾源比較起來(lái),，控制回路的干擾比較小。

    3.5由分布電容引起的干擾

    （1）由初級(jí)回路開(kāi)關(guān)管外殼與散熱器的容性耦合引起的共模傳導(dǎo)干擾 在初級(jí)回路中,，開(kāi)關(guān)管外殼與散熱器之間的容性耦合,，會(huì)在電源輸入端產(chǎn)生傳導(dǎo)共模干擾。該共模傳導(dǎo)的途徑形成一個(gè)環(huán)路,。該環(huán)路始于高du/dt的散熱器和安全接地線(xiàn),，通過(guò)交流電源的高頻導(dǎo)納和輸入電源線(xiàn)返回。

    （2）由高頻變壓器初次級(jí)之間分布電容引起的共模傳導(dǎo)干擾

    共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾,，所以它不會(huì)通過(guò)變壓器“電生磁和磁生電”的機(jī)理來(lái)傳遞,，而必須通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容傳遞,。在開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器初次級(jí)之間存在著分布電容是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

    3.6 產(chǎn)生干擾的其它原因

    開(kāi)關(guān)電源為了提高功率因數(shù),，均采用了有源功率因數(shù)校正電路,。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性,，減小功率器件的電應(yīng)力,，大量采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。其中零電壓,、零電流或零電壓零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛,。該技術(shù)極大地降低了開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是,，軟開(kāi)關(guān)無(wú)損吸收電路,，多利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移,，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換,。因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源,。 
開(kāi)關(guān)電源中,，一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L、C濾波電路,，實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模干擾信號(hào)的濾波,，以及交流方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號(hào)。由于電感線(xiàn)圈的分布電容,，導(dǎo)致電感線(xiàn)圈的自諧振頻率降低,，從而使大量的高頻干擾信號(hào)穿過(guò)電感線(xiàn)圈，沿交流電源線(xiàn)或直流輸出線(xiàn)向外傳播,。隨著干擾信號(hào)頻率的上升,，由于引線(xiàn)電感的作用，導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降,，直至達(dá)到諧振頻率以上時(shí),，完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行浴２徽_地使用濾波電容及引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng),，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)原因,。

    開(kāi)關(guān)電源PCB布線(xiàn)不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,、電源線(xiàn)輸入濾波不合理,、輸入輸出電源線(xiàn)布線(xiàn)不合理、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)不合理,，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對(duì)靜電放電,、電快速瞬變脈沖群,、雷擊、浪涌及傳導(dǎo)干擾,、輻射干擾及輻射電磁場(chǎng)等的抗擾性能力,。

    4 電磁兼容性研究及解決方法[3][4]

    電磁兼容性的研究。一般運(yùn)用CISPR16及IEC61000中規(guī)定的電磁場(chǎng)檢測(cè)儀器及各種干擾信號(hào)模擬器,、附助設(shè)備,，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)地或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部，通過(guò)詳盡的測(cè)試分析,、結(jié)合對(duì)電路性能的理解來(lái)進(jìn)行分析研究,。 

    從電磁兼容性的三要素講，要解決開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性,，可從3個(gè)方面入手：

    （1）減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào),；

    （2）切斷干擾信號(hào)的傳播途徑；

    （3）增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力,。

   在解決開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性時(shí),，可以綜合運(yùn)用上述3個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提,。 
對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的對(duì)外干擾,，如電源線(xiàn)諧波電流,、電源線(xiàn)傳導(dǎo)干擾,、電磁場(chǎng)輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來(lái)解決,。一方面,，可以增強(qiáng)輸入輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善有源功率因數(shù)校正（APFC）電路的性能,，減少開(kāi)關(guān)管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率,，采用各種軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降取Ａ硪环矫?，加?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果,，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理,。

    對(duì)外部的抗干擾能力,，如浪涌、雷擊,，應(yīng)優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力,。通常，對(duì)1.2/50µs開(kāi)路電壓及8/20µs短路電流的組合雷擊波形,，因能量較小,，可采用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來(lái)解決,。對(duì)于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中,，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù),、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來(lái)解決,?？焖偎沧冃盘?hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi),，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容,、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波（如加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來(lái)提高系統(tǒng)的抗擾性能。

    減小開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部干擾,，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性,，提高開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：注意數(shù)字電路與模擬電路PCB布線(xiàn)的正確區(qū)分,、數(shù)字電路與模擬電路電源的正確去耦,；注意數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻干擾,、減小地環(huán)的影響,；布線(xiàn)時(shí)注意相鄰線(xiàn)間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_,；減小地線(xiàn)阻抗,；減小高壓大電流線(xiàn)路特別是變壓器原邊與開(kāi)關(guān)管、電源濾波電容電路所包圍的面積,；減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積,；減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容,；采用諧振頻率高的濾波電容器等,。

    5 結(jié)語(yǔ)

    如今EMI/EMC問(wèn)題已成為開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是開(kāi)關(guān)電源能否更加廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素,。開(kāi)關(guān)電源的 EMI抑制技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中占有很重要的位置,。產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的因素很多，抑制電磁干擾還有大量的工作,。全面抑制開(kāi)關(guān)電源的各種干擾會(huì)使開(kāi)關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用,。