开关电源电磁干扰的分析及抑制

摘  要：本文讨论了开关电源产生电磁干扰的机理，并按照不同噪声源实际的影响程度提出了开发设计中可以有效改善电磁干扰的方法。

关键词：开关电源；电磁干扰；EMI/RFI；分析与抑制 

开关电源具有功耗小、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。由于功率变换器的开关频率越来越高，目前开关电源应用中的突出缺点是产生较强的电磁干扰和谐波干扰。EMI信号既具有很宽的频率范围（从几百赫到兆赫），又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对附近的电子设备造成干扰，还可能危及操作人员。随着电子产品的电磁兼容性日益受到重视，抑制开关电源的EMI和RFI是目前电力电子界关注的主要问题之一。

1 开关电源电磁干扰的产生原因

开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt， 它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。整流电容充电放电，开关管和输出整流二极管的电压、电流在高频工作时的快速切换都是这类电磁干扰源。其典型表现为输入电流含有丰富的高次谐波，输出电压有纹波，对空间有电磁辐射干扰。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。现将开关电源中常见的噪声干扰源分别说明如下：

（1）二极管的反向恢复时间引起的干扰

在实际高频整流回路中的整流二极管正向导通时，由于有较大的正向电流流过，在反向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。它所产生的尖峰通常在主开关管开通瞬间流过功率开关，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流会产生较强烈的高频衰减振荡。因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。

（2）开关管工作时产生的谐波干扰

由于开关电源的开关管工作频率很高，开关管的电压、电流切换速度很快，其传导干扰和辐射干扰也非常强。开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路，该环路包含有典型梯形电流波形会产生较大的辐射噪声。同时当原来导通的开关管关断时，由于电流突变，变压器的漏感L所产生的反电势U=－Ldi/dt叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，这也是引起电磁干扰的重要因素。

（3）交流输入回路电流畸变造成的噪声

传统开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得二极管的导通角变小，只有当交流输入电压大于输入滤波电容的电压时，输入整流器才能导通(见图1)。输入电流脉冲大于平均电流的5到10倍以上，成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这些畸变的电流中含有丰富的高次谐波分量，如不加抑制则对电网产生严重的谐波污染。

图1 二极管容性整流电路的输入电流波形

（4）PCB布板及寄生参数引起的噪声

印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。在开关电源中，有些信号包含丰富的高频分量，因而任何一条PCB引线都可能成为天线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量，进而影响它们的频率响应。开关电源的分布参数也易形成干扰，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。

2 开关电源EMI/RFI抑制措施

开关电源产生的干扰按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。检测机构要同时检测辐射和传导噪声。辐射噪声的检测在离产品1米的地方放置一个校准天线和接受器，并在GHz区域内画出频谱。传导噪声的检测是将高频电流互感器耦合到输入电源线上，检测频谱上限达1GHz。由于开关电源产生电磁干扰的特殊性，实际证明在电源产品的开发设计中，通过以下的几个主要方面来降低开关电源的干扰，将能使产品能够顺利通过EMI/RFI的测试：

2.1 PCB设计的优化是减小噪声影响的最主要因素

每个开关电源的内部都是四个电流环路，它们分别是：功率开关管交流电流环路；输出整流器交流电流环路；输入电源电流环路；输出负载电流环路（见图2）。通常输入输出电流环路不会产生太大的噪声。只需注意将输入或输出环与功率开关或整流环的连接直接接到电容的两端，防止交流能量从滤波电容流过并通过输入和输出电流环逃逸到外面环境中[1]。功率开关和整流器的交流电流环路包含有很高的典型梯形电流波形，其交流峰值可能是连续输入输出直流电流的2到5倍。且转换时间很快很容易产生电磁干扰。因此交流电流环路应先布线。所有传送交流信号的引线要尽可能的短而粗，因此交流通路布线时应注意将环路的器件放置尽可能靠近，其方向也要使其电流通路尽可能短。粗导线相对于细导线有更低的电感，引线的长度决定了响应信号的波长，引线越长，它能接受和传送的干扰频率就越低，它所接收到的RF(射频)能量也越大。总之，对所有流过尖峰电流的印制线必须短而粗，对存在交流高电压（如开关管的漏极或整流器的阳极）等极易与临近印制线产生耦合电容的PCB焊点可以通过过孔连接可以使交流信号印制线的上下层都流过相同的信号，这样可以大大减小与其他引线之间的容性耦合。

PCB布局对于滤波器的效果很重要，因为引线和元件的磁偶合所引入的高频噪声会降低EMI滤波器的效果，因此滤波器元件应以直线方式布置，这样滤波器的输入部分能够在物理上远离输出部分。在PCB设计中应遵循“一点接地”的原则，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上[2]。在PCB板上应尽可能的敷铜，大面积的敷铜可以捕获射频能量，并通过涡流方式消耗掉。

图2 Buck电路拓扑主要的电流环路

2.2 设计输入EMI滤波是第二重要的因素

输入传导EMI滤波器的目的是将高频传导噪声抑制在机壳内部。EMI滤波技术是一种可以滤除多种原因产生的传导干扰，既可以防止干扰使用同一电源工作的其他电子设备又能防止外部用电设备对电源本身的干扰。实际证明，选择适当的元器件参数，可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。这些滤波器包含的电容和电感分别称为“X”和“Y”元件。CX叫做差模电容，CY叫做共模电容，L1叫做共模电感（见图3）。共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。实际使用中共模电感的两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。

图3 典型的EMI滤波器结构

共模滤波器实际上是一个双向LC滤波器，它的主要作用是滤除开关管所产生的噪音，防止它进入到输入电源线。共模滤波器设计时有两个值得注意的问题：一是在高频时，由于变压器的寄生电容对绕组有旁路作用，造成绕组电感、分布电容及CY电容形成谐振回路，其谐振频率为绕组自激振荡频率。适当的选用较大的CY电容能够降低分布电容的影响。自激振荡频率是滤波器具有最大衰减率的频率。所以可以将变压器的自激振荡频率设置在需要最大滤波的频率上。二是滤波器在振荡频率时的Q值。如果Q值太高，即阻尼系数太低，滤波器会以窄带的形式振荡产生噪音。通常阻尼系数取不小于0.707比较合适，这样在转折频率处至少有-3dB的衰减量，就不会因振荡产生噪声。CY电容要用高频特性好的高压薄膜电容或陶瓷电容，容值取0.005到0.1uF之间。

2.3 波形技术的使用是第三重要因数

传统开关电源存在的致命缺点是功率因数低，一般在0.45到0.75之间，而且其无功分量基本是高次谐波。脉冲状输入电流中含大量谐波。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。常用的PFC控制芯片为UC3854，MC34262P，TDA4814等。

软开关技术是改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰的主要原因。软开关技术的采用使变换器强制电压或电流波形行成准正弦波，由于使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换使电压或电流的变化率受到控制，可以有效地改善EMI/RFI干扰。常见的软开关拓扑电路有ZVS、ZCS、ZVZCS等。使用缓冲电路吸收开关管或整流二极管两端的尖峰电压也能有效地减少EMI辐射(见图4)。

图4 加在开关管和整流二极管两端的缓冲吸收电路

输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感Ls来抑制（见图5）。饱和电感的磁芯是用具有矩形B-H曲线的磁性材料制成，如Maghisil和Orthanol合金等。用这种磁芯做的电感有很高的磁导率，并很容易进入饱和。实际使用中，当电流发生变化时，在一个由匝数、磁导率、和阶跃电流决定的时间内，它相当于一个电感，当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线。

图5饱和电感能抑制二极管反向恢复电流引起的问题

2.4 外壳设计是第四重要因数

当交变电磁场通过金属材料屏蔽体时，金属材料会产生感应电势而形成涡流，这涡流产生的磁场可以抵消一部分原来的磁场，从而起到屏蔽的作用[3]。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响，开关电源的外壳应当担当起内部电路辐射噪声电磁屏蔽作用，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩。因此整个开关电源的外壳要有良好的屏蔽特性，通常采用金属材料。接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求，RF垫圈有时能用于特别棘手的情况。

3．结语

在开关电源功率密度越来越大的趋势下，如何控制高频噪声的产生和辐射是开关电源系统设计中最为复杂的技术。EMI/RFI问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素。开关电源的EMI抑制技术在开关电源设计中占有很重要的位置。如果严格按照有效的设计规范，将会使产品比较容易通过EMI/RFI测试标准。 

参考文献：

[1] Marty Brown，开关电源设计指南.北京: 机械工业出版社，2004，1

[2] 叶治政，叶靖国.开关稳压电源.北京:高等教育出版社，1989，10

[3] 蔡仁钢，电磁兼容原理、设计和预测技术 北京航空航天大学出版社，1997，12 

作者简介： 周岩 河海大学电气工程学院硕士， 尹斌 河海大学电气工程学院副教授