利用滤波器抑制开关电源的电磁干扰探讨

1  引 言

　　开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。

2  开关电源产生EMI的原理

　　开关电源产生EMI的原因较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。

　　基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源已不再是单一频率的电流，此电流波可分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。

　　变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：

　　（1）开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。

　　（2）由高频变压器产生的干扰当原来导通的开关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势
　　E=－Ldi/dt
　　其值与集电极的电流变化率（di/dt）成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，形成传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会传导向配电系统，影响其它用电设备的安全和经济运行。

　　（3）由输出整流二极管产生的干扰在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。

　　对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施，主要有正确选择半导体器件、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。本文仅介绍滤波抑制措施。

3  抑制开关电源EMI的滤波措施

　　滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10kHz～100kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可得到满意的效果。

　　图1为开关电源EMI滤波器的基本网络结构。

　　该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈（LCM），L3、L4是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和Cy，L2和Cy就分别构成L—E和N—E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。