小型開關電源的抗電磁干擾設計

摘要：基于小型開關電源會產生電磁干擾污染電網，同時它們又容易受到外部電磁環(huán)境的影響，不能精確地工作。我們采用了濾波、屏蔽、接地等技術，使小開關電源的EMI被控制在EMC標準規(guī)定的極限下，使它們能夠良好地工作又不至于污染電網。特別在文中對小開關電源的電路進行了改進，使這類電源能夠有效地吸收和抑制干擾。大量的實踐證明本文中采用的方案經濟可靠地解決了小開關電源的抗干擾問題，不但能夠改善小開關電源的性能，還降低了小開關電源的故障率，使小型開關電源的使用范圍更加廣泛。
關鍵詞：EMI電磁干擾；EMC電磁兼容；濾波；抑制

文中的小型開關電源結構為單端反激式變換器，工作特性為高電壓、小功率5～150 W的電源，工作頻率在20 kH以上。這種開關電源功率密度大，智能化程度高，體積小，重量輕．在工業(yè)、國防、家電上大量使用。但是，該類型開關電源由于其固有的結構特性，它會產生干擾，注入電網并污染電網，影響鄰近的電子儀器及設備的正常工作，所以這種電源如果不采取一定的措施就無法應用于一些精密的電子儀器中，因此降低該類型開關電源對外部環(huán)境的電磁干擾即EMI，是我們的一個重要的任務。
第二個我們必須解決的問題是其對工作環(huán)境的適應性即抗干擾能力。由于該開關電源的工作環(huán)境是處于近千伏的電壓到幾伏的電壓信號，從高頻到低頻信號，還有開關電源的內部電磁的分布相當復雜，它的結構及其內部PCB布線，容易導致該系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，且容易受到外部的浪涌、靜電放電、電快速脈沖群的影響，使該開關電源不能精確地工作。
綜上所述，我們要求該開關電源必須滿足兩點要求：1)對周圍的電磁環(huán)境不造成污染，2)它在現(xiàn)實的電磁工作環(huán)境中不至于性能下降或發(fā)生故障。

1 開關電源的EMI
開關電源的干擾情況如圖1所示。

1)開關電源的工頻整流采用橋式整流，如圖2所示，大濾波電容充放電，沒有PFC，輸入電流是一個時間短，峰值很高的周期性尖峰電流，這種畸變的電流含有豐富的高次諧波分量，它們注入電網，引起嚴重的諧波污染且整流二極管在反向恢復期間會引起高頻衰減而產生干擾，另外濾波電容的等效串聯(lián)電感也會產生干擾。

2)開關管VT由于極短的導通時間及逆變回路中引線電感的存在，將產生很大的du／dt和很高的尖峰電壓；開關管在關斷時，關斷時間短，將產生很大的di／dt和很高的電流尖峰，開關電源的這種尖峰干擾通過輸入／輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾，即傳導性EMI。而在輸入／輸出線傳播時，會在空間中產生電磁場，發(fā)生電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。開關電源中開關管的頻率越高，它產生的傳導干擾和輻射干擾也越強。
3)圖2中，高頻整流二極管VD5也是一個重要的高頻干擾源，它高速的通斷工作在很高的du／dt、di／dt下會產生高頻干擾沿直流輸出線傳出去。
4)變壓器等磁性元件引起的EMI
①高頻變壓器初級L1、開關管VT和濾波電容C1構成的高頻開關電流環(huán)路能產生較大的空間輻射。如果電容器C1濾波不足，高頻電流會以差模方式傳導到輸入交流電源中如圖2中的I1。
②高頻變壓器次級L2整流二極管VD5、濾波電容C2構成高頻開關電流環(huán)路，會產生空間輻射，如果電容器濾波不足，高頻電流將會以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導如圖2中I2。
③高頻變壓器的初級和次級間存在分布電容，初級的高頻電壓通過這個分布電容直接藕和到次級上去，在次級的兩根輸出線上產生同相位的共模噪聲，如果兩根線對地阻抗不平衡，還會轉變成差模噪聲。
5)高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，高頻工作時，導線變成了發(fā)射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路，會使其工作狀態(tài)產生影響并使其頻率特性發(fā)生了相當大的變化，變成開關電源中的輻射干擾源。
6)電網中各種用電設備產生的EMI沿電源線進入開關電源，主要以共?；虿钅煞N方式存在，其中能夠對電源造成損壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。