詳解開關(guān)電源電磁干擾問題的解決方案

　　圖4 高頻工作下的元件頻率特性

　　開關(guān)電源EMI抑制措施

　　電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問題。開關(guān)電源工作在高電壓大電流的高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其引起的電磁兼容性問題是比較復(fù)雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

　　2.1 抑制開關(guān)電源中各類電磁干擾源

　　為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時(shí)也提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)。

　　軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開關(guān)器件開通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開關(guān)損耗的主要原因。使用軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關(guān)管或高頻變壓器初級(jí)線圈兩端的尖峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。

　　輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形 BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線;當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。

　　圖5 飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)電流中的應(yīng)用

　　2.2 切斷電磁干擾傳輸途徑--共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

　　電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖6所示。一個(gè)合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖6中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

　　共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過時(shí)為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加，使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。L1的電感量與EMI 濾波器的額定電流I有關(guān)，具體關(guān)系參見表1所列。

　　表1 電感量范圍與額定電流的關(guān)系[4]

　　實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問題會(huì)存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)∏型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

　　除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及 CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計(jì)算電容 CY漏電流的公式是

　　ID=2πfCYVcY

　　式中：ID為漏電流;

　　f為電網(wǎng)頻率。

　　一般裝設(shè)在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器，其交流漏電流應(yīng)《1mA;若為裝設(shè)在固定位置且接地的設(shè)備上的電源濾波器，其交流漏電流應(yīng)《3.5mA,醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2~33nF.電容類型一般為瓷片電容，使用中應(yīng)注意在高頻工作時(shí)電容器CY與引線電感的諧振效應(yīng)。

　　差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成，最簡(jiǎn)單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路(如圖6中電容CX1)，只要電容選擇適當(dāng)，就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01~0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

　　圖6 開關(guān)電源EMI濾波器[3]

　　2.3 使用屏蔽降低電磁敏感設(shè)備的敏感性

　　抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽?？梢杂脤?dǎo)電性能良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。為了防止變壓器的磁場(chǎng)泄露，使變壓器初次級(jí)耦合良好，可以利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E型的小很多。開關(guān)電源的連接線，電源線都應(yīng)該使用具有屏蔽層的導(dǎo)線，盡量防止外部干擾耦合到電路中?；蛘呤褂么胖椤⒋怒h(huán)等EMC元件，濾除電源及信號(hào)線的高頻干擾，但是，要注意信號(hào)頻率不能受到EMC元件的干擾，也就是信號(hào)頻率要在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)開關(guān)電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關(guān)電源既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會(huì)對(duì)外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

　　結(jié)語

　　如今在開關(guān)電源體積越來越小，功率密度越來越大的趨勢(shì)下，EMI/EMC問題成為了開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是一個(gè)最容易忽視的方面。開關(guān)電源的 EMI抑制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。實(shí)踐證明，EMI問題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好。