開關電源中電磁干擾的抑制

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:32:15 來源：

　隨著開關電源技術的不斷發展和日趨成熟，各個應用領域對開關電源的需求也不斷增長，但是，開關電源存在嚴重的電磁干擾（EMI）問題。它不僅對電網造成污染，直接影響到其它用電電器的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，對空間也造成電磁污染。于是便產生了開關電源的電磁兼容（EMC）問題。電磁兼容是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

　開關電源的電磁干擾可分為傳導干擾和輻射干擾兩大類。傳導干擾通過交流電源傳播，頻率低于30MHz。輻射干擾通過空氣傳播，頻率在30MHz以上。

　本文針對一種桌面式180W塑殼開關電源（負載是12V/15A的半導體制冷冰箱，電源外形大小205mm×90mm×62mm）所存在的電磁干擾超標問題，從原理上進行了分析，并探討了解決方案。

1 180W開關電源的電路結構分析與電磁干擾測試

1.1 主電路與結構布局分析

　該開關電源的電路原理如圖1所示。

（a）電容濾波整流部分（b）半橋開關電路部分

圖1 180W開關電源電路

　電容濾波整流器功率因數低，整流二極管導通時間較短，濾波電容充電電流瞬時值的峰值大，整流后的電流波形為脈動狀，產生高的諧波電流。

　半橋電路中高頻導通和截止的S₁、S₂，D₃、D₄和變壓器T₁是開關電源的主要騷擾源，產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。

　該開關電源的內部布局如圖2所示，左邊是交流電源輸入和直流輸出，靠左邊上下兩側留有通風孔,風機在右邊，采用向外抽風方式散熱，保證塑殼內的熱量及時排出，避免熱量在塑殼內積聚。該布局的優點是通風路比較通暢，但也存在缺點——輸入輸出接口電纜安裝得較近，在它們之間容易產生空間耦合，形成輻射騷擾。

圖2 內部結構圖

1.2 電磁干擾測試

　表1所列為測得的7～21次諧波電流的數值，其中11、15、17次諧波電流都超標。

表1 實測的諧波電流數值

諧波次數	實測數值/A	諧波限值/A
7	0.694	0.770
9	0.397	0.400
11	0.334	0.330
13	0.209	0.210
15	0.165	0.150
17	0.151	0.132
19	0.101	0.118
21	0.084	0.107

圖3為測得的傳導干擾超標現象。

圖3 傳導干擾低頻超標

　輻射騷擾預測結果在30～50MHz和100MHz處超出限值，如圖4所示。

圖4 輻射騷擾預測圖

2 電磁干擾的抑制

2.1 諧波電流的抑制

　采用功率因數校正可以解決諧波電流超標的問題。有源功率因數校正采用Boost升壓PFC電路，功率因數提高到0.99以上，使得諧波電流很小，但電路復雜，成本也不低，而且電路中的開關管和高壓整流二極管的開關噪聲將成為新的騷擾源，使整機的EMI達標增加了難度。

　考慮到在交流輸入電壓（AC 220～250V）范圍內，滿足電壓調整率情況下，適當減小濾波電容，輸入串聯電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時值的峰值，滿足諧波電流限值，且功率損耗在可以接受的范圍之內，整機電源效率下降不多，也不失為較好方法。采用這一方法后實測諧波電流值如表2所列。

表2 濾波后諧波電流值

諧波次數	實測數值/A	諧波限值/A
1	1.120	Nan
2	0.004	1.080
3	0.990	2.300
4	0.004	0.430
5	0.812	1.140
6	0.003	0.300
7	0.594	0.770
8	0.002	0.230
9	0.379	0.400
10	0.002	0.184
11	0.212	0.330
12	0.001	0.153
13	0.142	0.210
14	0.002	0.131
15	0.141	0.150
16	0.002	0.115
17	0.132	0.132
18	0.001	0.102
19	0.100	0.118
20	0.001	0.092
21	0.064	0.107
22	0.001	0.084
23	0.050	0.098
24	0.001	0.077
25	0.054	0.090
26	0.001	0.071
27	0.051	0.083
28	0.001	0.066
29	0.037	0.078
30	0.001	0.061
31	0.026	0.073
32	0.001	0.058
33	0.027	0.068
34	0.001	0.054
35	0.027	0.064
36	0.001	0.051
37	0.023	0.061
38	0.001	0.048
39	0.015	0.058
40	0.001	0.046

2.2 傳導騷擾的抑制

　傳導噪聲主要來源半橋變換器中功率開關管S₁及S₂以頻率25kHz交替工作，功率開關管集電極發射極電壓U_ce和發射極電流I_c波形接近矩形波。傅立葉分析表明，矩形波脈沖具有相當寬的頻率帶寬，含有豐富的高次諧波，脈沖波形的頻譜幅度在低頻段較高。另外,功率開關管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產生尖峰干擾。

　輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設計的一種低阻抗通道（即低通濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，達到電磁兼容的目的。

　如圖5所示，輸入濾波器是由電感（L_F1、L_F2）和C_Y電容（C₄、C₅）及C_X電容（C₁、C₂、C₃）組成的低通濾波器電路構成。對頻率較高的噪聲信號有較大的衰減。C₁、C₂、C₃是濾除共模干擾的電容，C₄、C₅是濾除差模干擾的電容，L_F1、L_F2是共模線圈。

圖5 輸入濾波器

　圖3中低頻傳導干擾（0.15～1MHz范圍）超標，共模噪聲的主要騷擾源是功率開關管，低頻傳導干擾抑制以增加共模電感的電感量為主，當共模電感從原設計的15mH增加到24mH時，低頻傳導干擾最大處下降30dB，得到了顯著改善。如圖6所示。

圖6 寄生參數影響傳導超標

　輸入濾波器對20MHz以下噪聲抑制有明顯的效果。理想輸入濾波器是低通濾波器，但實際上是帶阻濾波器，電容器的引線電感和電感線圈上的寄生電容，在頻率較高時影響就不能忽視。在1MHz時就變得十分明顯了。

　當開關電源頻率增加時，所需的共模電感可大大減小，共模電感體積也減小。但是，開關電源在20MHz以上頻帶的輻射噪聲份量有所增加，給輻射騷擾的達標帶來麻煩。開關頻率和共模電感的關系如表3所列。

表3 開關頻率和共模電感的關系

開關頻率	共模電感的電感量
50kHz	約30mH
75kHz	約15mH
100kHz	約10mH

　　由于共模電感線圈存在寄生電容，高頻噪聲成分經過寄生電容向外發射騷擾，故使用單個大感量共模電感不容易達到好的高頻濾波效果，一般采用兩個共模電感，同樣的電感量抑制高頻噪聲很見效，將有6dB以上的差值。

　C_X電容器高頻阻抗頻率特性是一個關系電磁騷擾抑制效果的重要參數。電容器在高頻使用時等效為r（等效串聯電阻）＋C＋L（等效串聯電感）電路。由于電容器自身的固有電感（即等效串聯電感）存在，在頻率低的范圍，電容器電抗呈容性，在頻率高的范圍，電容器電抗呈感性，這時抑制騷擾的能力就明顯下降。電容器的固有引線電感越小和騷擾源的高頻內阻抗越大，則抑制騷擾的效果越好。

　C₄及C₅的引線和連接地引線應盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經過電容旁路到地線，C₄及C₅取較大電容量濾波效果好，但是，隨著電容量的增加泄漏電流也增加了，而泄漏電流值是電氣安全中的重要指標，決不允許超過規定數值。一般的漏電流限制是3.5mA，此桌面式塑殼開關電源屬手持式設備，最大漏電流限制為0.75mA，實測值為0.55mA。

　電源輸入線纜要短，濾波器盡量靠近輸入端口，避免濾波器輸入輸出發生耦合，而失去濾波作用。接地盡量簡短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。經過數次整改后，得到滿意的結果如圖7所示。

圖7 傳導騷擾合格

2.3 輻射騷擾的抑制

　輻射騷擾是指由任何部件、天線、電纜或連接線輻射的電磁干擾。

　通常在電路元件布局上，應盡量使輸入交流和輸出直流插座（包括引線）分開并遠離。采用一端輸入另一端輸出是一種合理的布局。但考慮電源內部散熱通風，該電源采用圖2的散熱結構。不可回避的問題是輸入輸出線纜之間可能發生空間耦合，當有高頻傳導電流通過時就會產生強烈的輻射。

　首先，從電磁騷擾源產生的機理入手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較嚴重，通過減小環路面積可以抑制di/dt環路產生的磁場輻射。整流及續流二極管工作在高頻開關狀態，也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產生高頻振蕩，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。

　鐵氧體磁環和磁珠使用方便，價格便宜，抑制電磁干擾效果明顯。鐵氧體電感的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯電路，L和R都是頻率的函數。電阻值隨著頻率增加而增加，這樣就構成了一個低通濾波器。低頻時R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時R增大，電磁干擾被吸收并轉換成熱能，使高頻干擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內徑越小抑制效果也越好。鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入、輸出電路，則應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

　整流二極管使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環繞（φ13.5×φ7.5×7）2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約10dB，但40MHz和100MHz處余量較小，準峰值測試僅有5dB裕量。考慮到認證過程繁瑣，周期長，而且各個認證檢測服務中心之間允許有2～3dB的誤差，產品的預測應在6dB以上的裕量為合適，如圖8所示。