小型开关电源的抗电磁干扰设计

摘要：基于小型开关电源会产生电磁干扰污染电网，同时它们又容易受到外部电磁环境的影响，不能精确地工作。我们采用了滤波、屏蔽、接地等技术，使小开关电源的EMI被控制在EMC标准规定的极限下，使它们能够良好地工作又不至于污染电网。特别在文中对小开关电源的电路进行了改进，使这类电源能够有效地吸收和抑制干扰。大量的实践证明本文中采用的方案经济可靠地解决了小开关电源的抗干扰问题，不但能够改善小开关电源的性能，还降低了小开关电源的故障率，使小型开关电源的使用范围更加广泛。
关键词：EMI电磁干扰；EMC电磁兼容；滤波；抑制

文中的小型开关电源结构为单端反激式变换器，工作特性为高电压、小功率5～150 W的电源，工作频率在20 kH以上。这种开关电源功率密度大，智能化程度高，体积小，重量轻．在工业、国防、家电上大量使用。但是，该类型开关电源由于其固有的结构特性，它会产生干扰，注入电网并污染电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作，所以这种电源如果不采取一定的措施就无法应用于一些精密的电子仪器中，因此降低该类型开关电源对外部环境的电磁干扰即EMI，是我们的一个重要的任务。
第二个我们必须解决的问题是其对工作环境的适应性即抗干扰能力。由于该开关电源的工作环境是处于近千伏的电压到几伏的电压信号，从高频到低频信号，还有开关电源的内部电磁的分布相当复杂，它的结构及其内部PCB布线，容易导致该系统工作不稳定，且容易受到外部的浪涌、静电放电、电快速脉冲群的影响，使该开关电源不能精确地工作。
综上所述，我们要求该开关电源必须满足两点要求：1)对周围的电磁环境不造成污染，2)它在现实的电磁工作环境中不至于性能下降或发生故障。

1 开关电源的EMI
开关电源的干扰情况如图1所示。

1)开关电源的工频整流采用桥式整流，如图2所示，大滤波电容充放电，没有PFC，输入电流是一个时间短，峰值很高的周期性尖峰电流，这种畸变的电流含有丰富的高次谐波分量，它们注入电网，引起严重的谐波污染且整流二极管在反向恢复期间会引起高频衰减而产生干扰，另外滤波电容的等效串联电感也会产生干扰。

2)开关管VT由于极短的导通时间及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的du／dt和很高的尖峰电压；开关管在关断时，关断时间短，将产生很大的di／dt和很高的电流尖峰，开关电源的这种尖峰干扰通过输入／输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰，即传导性EMI。而在输入／输出线传播时，会在空间中产生电磁场，发生电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。开关电源中开关管的频率越高，它产生的传导干扰和辐射干扰也越强。
3)图2中，高频整流二极管VD5也是一个重要的高频干扰源，它高速的通断工作在很高的du／dt、di／dt下会产生高频干扰沿直流输出线传出去。
4)变压器等磁性元件引起的EMI
①高频变压器初级L1、开关管VT和滤波电容C1构成的高频开关电流环路能产生较大的空间辐射。如果电容器C1滤波不足，高频电流会以差模方式传导到输入交流电源中如图2中的I1。
②高频变压器次级L2整流二极管VD5、滤波电容C2构成高频开关电流环路，会产生空间辐射，如果电容器滤波不足，高频电流将会以差模形式混在输出直流电压上向外传导如图2中I2。
③高频变压器的初级和次级间存在分布电容，初级的高频电压通过这个分布电容直接藕和到次级上去，在次级的两根输出线上产生同相位的共模噪声，如果两根线对地阻抗不平衡，还会转变成差模噪声。
5)高频工作下的元件都有高频寄生特性，高频工作时，导线变成了发射线，电容变成了电感，电感变成了电容，电阻变成了共振电路，会使其工作状态产生影响并使其频率特性发生了相当大的变化，变成开关电源中的辐射干扰源。
6)电网中各种用电设备产生的EMI沿电源线进入开关电源，主要以共模或差模两种方式存在，其中能够对电源造成损坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波。
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2 开关电源的EMI抑制技术
1)抑制开关电源的EMI，干扰源不可能消除，只有从减小干扰源的能量入手。
①在开关管VT两端并接RC吸收电路，如图3所示，对开关管高速通断时的能量加以缓冲，吸收功率减少di／dt、du／dt。
②在二次回路中的高频整流二极管VD5两端并接RC吸收电路，如图3所示，抑制浪涌电压则采用整流二极管VD6串接带可饱和磁芯的线圈，在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，正常工作不受影响，一旦电流反向时，磁芯线圈将产生很大的反电动势有效抑制二极管VD5的反向浪涌电流。

2)针对传导干扰EMI，我们设法在其的传导路径上设置障碍，吸收并阻止干扰。
①在开关电源的输入端加电源滤波器，滤波器对高频能量呈高阻抗，对工频呈低阻抗，它不仅封锁了共模干扰的传播途径，而且衰减了输入回路中的差模干扰。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法，在电源输入端接上滤波器，既可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对开关电源的侵害。
②开关管高速通断效率虽高，但带来了高频辐射和传导噪声，为此需对开关管产生的噪声加以抑制，两种常见的电路形式如下：图4中，开关管截止瞬间变压器初级线圈中存储的能量通过二极管电阻回路释放，避免在开关管两端出现电压尖峰。图5中开关管截止瞬间，通过二极管将能量返回电源。

3)二极管整流桥产生的谐波及无功，一个方法是采取功率因数校正(PFC)电路来解决脉冲尖峰电流过大的问题和提高功率因数，而另一个方法是采取差模滤波器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降低电流谐波干扰。
4)尖峰干扰的抑制，功率开关管和二次绕组整流二极管的高速通断造成了开关电源的尖峰干扰。采取易饱和，储能能力弱的饱和电感，能有效抑制这种尖峰干扰。将饱和电感与整流二极管串联，在电流开通的瞬间，它呈现高阻抗，抑制尖峰电流，而饱和后其电感量很小，损耗也小，如图6所示：Q1导通，VD1导通，VD2截止，饱和电感Ls限制VD2中的反向恢复电流的幅值和变化率，可以有效地抑制高频导通干扰的产生。Q1断，VD1截止，VD2导通，Ls造成导通延时，会影响VD2的续流作用，会在VD2阳极产生负值尖峰电压。所以增加辅助二极管VD3和电阻R1，为了克服输出电压中的尖峰，增加了第二级滤波，电感L和C2，如图7中所示电感L只需很小的值就够了，电容C2则是低电感的小电容。

5)屏蔽
电磁兼容设计要达到以下2个目的：a、通过优化电路和结构设计将干扰源产生的电磁噪声强度降低到能接受的水平。b、通过各种干扰抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到能接受的程度。屏蔽技术是达到上述两个目的、实现电磁干扰防护的最基本最重要的手段之一。屏蔽技术通常可分为三大类：电场屏蔽(静电场屏蔽及低频交变电场屏蔽)、磁场屏蔽(直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽)及电磁场屏蔽(高频辐射电磁场的屏蔽)。
用导电率良好的材料对电场进行屏蔽，屏蔽体必须完善并良好接地，否则金属屏蔽体不起任何屏蔽作用。
磁场屏蔽的目的是消除或抑制直流或低频交流磁场噪声源与被干扰回路的磁耦合。采取高磁导率材料制成的磁场屏蔽体将需要磁屏蔽的电路或元件即磁场噪声源封闭起来，由于高磁导率材料具有很低的磁阻，噪声源的磁力线将封闭在此屏蔽体内，或外界干扰磁场的磁力线被磁屏蔽体旁路，从而起到了磁屏蔽的作用。
而对于高频磁场，采用非导磁的金属屏蔽体将载流导体包围起来，让该屏蔽体中流过与中心载流导线电流大小相等、相位相反的电流，这样在屏蔽体的外部，总的噪声磁场强度变为零，达到了磁场屏蔽的目的，这样屏蔽体应为良导体如铜、铝或铜镀银。
6)接地
在开关电源的电路系统设计中遵循“一点接地”原则，如果多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声，实际中很难实现“一点接地”。因此采用平面式或多点接地，降低地阻抗，消除分布电容的影响，采取一个导电平面作为参考地，将需接地的各部分就近接到该参考地上。在低频和高频共存的开关电源电路中，分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考地上，从而有效地消除噪声。
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3 开关电源电路的EMC设计
3．1 输入电路的电磁兼容设计
输入滤波电路如图8所示，FV1为瞬态电压抑制二极管，RV1为压敏电阻，具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏，EMI滤波器必须良好接地，且接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入线、输出线之间屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间传播。L1及C1组成低通滤波电路，当L1电感值较大时，还须增加VD1和R1形成续流回路，吸收后级断开时L1储存的能量，不然的话，L1产生的电压尖峰就会形成EMI。电感L1所选用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成EMI。C1的容量选较大为好，这样可以减小输入线上的纹波电压，从而减小在输入导线周围形成的电磁场。

开关电源EMI滤波器基本电路如图9所示，CX1和CX2是差模电容，L1、L2共模电感是匝数相同，绕向相反且绕在同一磁环上的两只独立线圈，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，共模电感对工频电流不起任何阻碍作用，避免磁环达到饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变，CY1和CY2是共模电容。
差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模干扰和共模干扰有较强的衰减作用。实际使用中，共模电感绕组由于绕制工艺间会存在电感差值，不过这种差值正好被利用做成差模电感。所以一般电路中不必再设置独立的差模电感。共模电感的差值电感与电容CX1和CX2构成一个Ⅱ型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。
电容CY1和CY2是用来滤除共模干扰的。共模干扰的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1和CY2起作用，CY1接于电源线和地线之间，需要其耐高压、低漏电流特性，CY一般在2．2～33μF，电容类型为瓷片电容。
差模电容CX接在两根电源线之间，对一般的高频干扰阻抗很低，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，对工频信号的传输毫无影响。CX电容选择主要考虑耐压值只要满足功率线路的耐压等级，能承受可预料的电压冲击即可，为了避免放电电流引起的冲击危害，CX电容容量不宜过大，一般在0．01～0．1μF之间，电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。
3．2 高频逆变电路的电磁兼容设计
如图10所示，VT为MOSFET的开关器件，在VT开通和断开时，由于开关时间很短及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di／dt、du／dt形成EMI，在变压器原边两端增加RCD构成吸收电路，或在开关管VT两端并联电容，缩短引线，减小图中引线1-2，3-4的电感。电容C2、C3一般采用低感电容。另外，我们还采用软开关技术，它也是改善开关器件电磁兼容特性的一个重要的方法，开关器件通断会产生浪涌电流du／dt及尖峰电压di／dt，这是开关管产生EMI及损耗的主要原因，软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换，可以有效地抑制EMI改善开关电源的电磁兼容特性。

3．3 输出整流电路的电磁兼容设计
输出整流电路如图11所示，VD6为整流二极管，VD7为续流二极管，这两个二极管工作于高频开关状态，所以它们是输出整流电路的EMI源。R5、C12和R6、C13它们是高频整流二极管VD6、VD7的吸收电路，可以吸收VD6、VD7开关时产生的电压尖峰，改善开关电源的电磁兼容特性。减少高频整流二极管数量即可减少EMI能量，因此在满足同样条件下，采用半波整流比采用全波整流和全桥整流产生的EMI要小。还有在输出较低电压的情况下，选用肖特基二极管产生的EMI也会比选用其它二极管小。

4 结束语
针对小功率开关电源的电磁干扰问题，文中采用了滤波、屏蔽、接地等方法。大量事实证明本文中的方案经济可靠地解决此类开关电源的抗干扰问题，不但提高了该类开关电源的性能，降低了它们的故障率，而且使它们的适用范围更加广泛。