开关电源运行中的电磁干扰及其抑制

　 开关电源对电网的干扰电压是在电网和开关电源之间加入LISN的50Ω的电阻上测得的。图1是德国标准VDE和美国标准FCC规定的开关电源对电网传导干扰的极限。标准又有A类和B类之分。A类是针对那些用在工业、商业和办公环境的装置的，B类则是针对那些用于民居的装置而设立的，B类的标准则要求更高。

图1  标准规定的电源传导发射的极限

　　常用的减小对电网干扰的方法有以下几种。

　　1）减少开关动作过程中产生的电压跳变的过冲

　　减少电压过冲既可以避免开关管承受过高的电压，又可以减小对电网的高频噪声（见图2）。选择反向恢复电流小的二极管（如碳化硅二极管）也是一种减小干扰源强度的可行方法。虽然调整触发脉冲的跳变沿和加大栅极的电阻等可以降低|du/dt|，但这会加大开关损耗和降低整个装置的效率，需要从开关电源的各项性能来综合考虑。

　　2）调制策略上的改进

　　将频率不变的调制改变为随机调制（Random Modulation）、变频调制（SwitchingFreguency Modulation）和所谓“∑△”调制等。频率固定不变的调制脉冲产生的干扰低频段主要是调制频率的谐波干扰，低频段的干扰主要是集中在各谐波点上，随机调制等三种方法产生的低频干扰则分散在一定的频段上，因此，采用这些措施是有利于开关电源通过电磁干扰的频谱特性测试，使之符合电源的电磁标准。国际上对这一方面的研究也是比较多的。

　　例如，采用频率抖动技术来减小电磁干扰，就是采用的这种方法：TOPGX系列芯片是一种内部集成了PWM控制电路和MOSFET的功能芯片。工作频率为132kHz，并周期性地以132kHz为中心上下变动4kHz，如图2a）所示。在4ms周期（频率为250Hz）内，完成一次从128～136 kHz之间的频率抖动，其频率变化和开关电压的波形如图2（a）所示。

　　采用相同的外围电路进行对比测量，当初级峰值电流相同时，采用频率抖动技术的电源其EMI测量的结果如图2（c）所示，而未采用频率抖动技术的电源其EMI测量的结果如图2（b）所示。通过比较（b）、（c）两图的准峰值（QP）和平均值（AV）可知，未采用频率抖动技术时，各次谐波较窄雨且离散，谐波在频率处的幅值较高；采用频率抖动技术时，谐波幅值降低了并且变得平滑，高次谐波接近连续响应。减小EMI的效果十分明显。

图2  频率抖动技术及对减小EMI的作用

　　3）增加输入滤波器

　　前两种方法是从减小干扰源的强度着手的，而增加滤波器则是考虑改变耦合通道的特性。如前所述，增加共模滤波器可以减小开关电源对电网的干扰。从图3可知，无输入滤波器，电源对电网的干扰已经越过了相应的标准。加人输入滤波器以后，此电源对电网的干扰就符合相应的标准了。在测量时，考虑到开关电源对电网的低频段（10～150kHz）干扰主要是开关频率整数倍的各次谐波，故扫描仪的频带分辨率为200Hz，而在150kHz～30MHz频段，频带的分辨率为9kHz。

图3  有、无输入滤波器对电网干扰的比较

　　此外，适当的屏蔽也可以减小开关电源对电网的干扰。

　　需要指出的是：电源通过电磁兼容的测试鉴定，达到标准的要求，和电源在使用过程中会不会引起不允许的干扰是两回事。

　　达到标准的电源使用或处理不当，在使用中引起严重的干扰是完全可能的。开关电源既是一个电源装置，也是一个噪声发生装置。它和受扰体之间是通过耦合通道连接在一起的，显然耦合通道的特性与受扰体的特性配合不好而引起严重的干扰是可能的，开关电源并联供电引起整个系统不稳定的现象也是实际存在事实。

　　有的受扰体对干扰波形敏感，如有的文献所指出的，有的数字电路在干扰脉冲的作用下，会不会产生误动作与波形有关，即不仅与脉冲的幅度有关，而且还与脉宽有关。即使开关电源达到了图1所示的标准，但它对外产生干扰的波形引起严重的干扰问题仍是可能的。

　　基于以上的考虑，有的开关电源用户，除了要按标准检测开关电源的电磁兼容性能外，还要增加一些在开关电源的特定的使用条件下的某些干扰性能的检测，如纽约地铁公司就是这样做的。

　　此外，有的开关器件在开通和关断时、所产生的电压、电流跳变是不同的，开通时产生的|du/dt|大于关断时产生的|du/dt|，对外产生的干扰也是前者大于后者。实验结果表明了这一点。一台IGBT组成的逆变电源，供电给电动机，在图4（a）中上面的曲线为IGBT开关动作时电源内某两处的电流波形；图4（b）为电源外部电动机的接地电流波形。由图可知，逆变电源IGBT开关关断时的电流跳变（无论是电源内部或是电源外部的接地电流）均远小于开关开通时的电流跳变。而且开通时的跳变与负载等基本无关。如果采用随如调制电源和固定频率调制的电源，两者开关器件（如IGBT）驱动回路的参数和驱动脉冲都相同，因此两者的开关电压跳变相同；在两者的对外干扰耦合通道也相同时，从对电网的干扰测试结果的频域特性来看，前者要优于后者。但对外的干扰波形还是相同的，并不一定随机调制的电源就优于固定频率调制的电源。

图4   某逆变电源的IGBT开通／关断动作所引起的电流跳变