開關電源產生電磁幹擾的具體原因與抑制方法解析

2021-01-08 電子發燒友
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開關電源產生電磁幹擾的具體原因與抑制方法解析

佚名 發表於 2019-11-04 16:07:05

關於開關電源EMI（Electro-Magnetic Interference）的研究，有些從EMI產生的機理出發，有些從EMI 產生的影響出發，都提出了許多實用有價值的方案。這裡分析與比較了幾種有效的方案，並為開關電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。

開關電源電磁幹擾的產生機理

開關電源產生的幹擾，按噪聲幹擾源種類來分，可分為尖峰幹擾和諧波幹擾兩種;若按耦合通路來分，可分為傳導幹擾和輻射幹擾兩種。現在按噪聲幹擾源來分別說明：

1、二極體的反向恢復時間引起的幹擾

高頻整流迴路中的整流二極體正嚮導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由於PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間裡，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化（di/dt）。

2、開關管工作時產生的諧波幹擾

功率開關管在導通時流過較大的脈衝電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當採用零電流、零電壓開關時，這種諧波幹擾將會很小。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，也會產生尖峰幹擾。

3、交流輸入迴路產生的幹擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生幹擾。開關電源產生的尖峰幹擾和諧波幹擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的幹擾稱之為傳導幹擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的幹擾稱為輻射幹擾。

4、其他原因

元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常採用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場幹擾大，並且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI幹擾。

開關電源EMI的特點

作為工作於開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的幹擾強度較大；幹擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對於數字電路幹擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數兆赫茲），主要的幹擾形式是傳導幹擾和近場幹擾;而印刷線路板（PCB）走線通常採用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數的提取和近場幹擾估計的難度。

EMI測試技術

目前診斷差模共模幹擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網絡、噪聲分離網絡。用射頻電流探頭是測量差模 共模幹擾最簡單的方法，但測量結果與標準限值比較要經過較複雜的換算。差模抑制網絡結構比較簡單，測量結果可直接與標準限值比較，但只能測量共模幹擾。噪聲分離網絡是最理想的方法，但其關鍵部件變壓器的製造要求很高。

目前抑制幹擾的幾種措施

形成電磁幹擾的三要素是幹擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁幹擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制幹擾源，直接消除幹擾原因;其次是消除幹擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁幹擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。目前抑制幹擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁幹擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

採用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射幹擾。例如，功率開關管和輸出二極體通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產生了分布電容，開關電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁幹擾耦合到交流輸入端產生共模幹擾，解決這個問題的辦法是採用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，並把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻幹擾向輸入電網傳播的途徑。為了抑制開關電源產生的輻射，電磁幹擾對其他電子設備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然後將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制幹擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的幹擾;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂負靜電屏蔽效應，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號迴路提供穩定的參考電位。因此，系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線後，最終都與大地相連。

在電路系統設計中應遵循一點接地的原則，如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該迴路時將產生磁感應噪聲，實際上很難實現一點接地。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而採取平面式或多點接地，利用一個導電平面（底板或多層印製板電路的導電平面層等）作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地迴路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接後，再連接到公共參考點上。

濾波是抑制傳導幹擾的一種很好的辦法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產生並向電網反饋的幹擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還採用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，並正確地安裝和使用濾波器，是抗幹擾技術的重要組成部分。
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