開關(guān)電源電磁兼容性問題研究

1 前言

開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通訊、軍事、民用、航空等各個(gè)領(lǐng)域。

在很多場合，開關(guān)電源，特別是通信開關(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，如對浪涌、電網(wǎng)電壓波動的適應(yīng)能力，對靜電、電場、磁場及電磁波等的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對設(shè)備供電的穩(wěn)定性。

一方面，因開關(guān)電源內(nèi)部的功率開關(guān)管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器，是在高頻開關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。在高壓大電流的方波切換過程中，將產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流，一方面通過電源輸入線或開關(guān)電源的輸出線傳出，對與電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)備及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，使設(shè)備不能正常工作;另一方面，嚴(yán)重的諧波電壓電流在開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關(guān)電源機(jī)殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設(shè)備及對電磁場比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其它設(shè)備工作異常。

因此，對開關(guān)電源要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設(shè)備均能夠正常工作，互不干擾[1][2]。

2 國內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)[1]

電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。

要徹底消除設(shè)備的電磁干擾及對外部一切電磁干擾信號是不可能的。只能通過系統(tǒng)地制定設(shè)備與設(shè)備之間允許產(chǎn)生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標(biāo)準(zhǔn)，才能使電氣設(shè)備及系統(tǒng)間達(dá)到電磁兼容的要求。國內(nèi)外大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件。

國際無線電干擾特別委員會(CISPR)是國際電工委員會(IEC)下屬的一個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化組織，設(shè)六個(gè)分會。早在1934年就開展EMC標(biāo)準(zhǔn)的研究。其中第六分會(SCC)主要負(fù)責(zé)制定關(guān)于干擾測量接收機(jī)及測量方法的標(biāo)準(zhǔn)。CISPR16《無線電干擾和抗干擾度測量設(shè)備規(guī)范》對電磁兼容性測量接收機(jī)、輔助設(shè)備的性能以及校準(zhǔn)方法給出了詳細(xì)的要求。CISPR17《無線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測量》制訂了濾波器的測量方法。CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備無線電干擾限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15MHz~1000MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備對外部干擾信號的時(shí)域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包括通信開關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測試內(nèi)容及測試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求。

IEC最近也出版了大量的基礎(chǔ)性電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的是IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定電子電氣設(shè)備的雷擊、浪涌(SURGE)、靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)、電流諧波、電壓跌落、電壓瞬變及短時(shí)中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場、由射頻電磁場引起的傳導(dǎo)干擾抗擾度、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。

另外，美國聯(lián)邦委員會制定的FCC15、德國電氣工程師協(xié)會制訂的VDE0871、2A1、VDE0871、2A2、VDE0878，都對通信設(shè)備的電磁兼容性提出了要求。

我國對電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的研究比較晚，采取的最主要的辦法是引進(jìn)、消化、吸收，洋為中用是國內(nèi)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)制訂的最主要方法。1998年，信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)及ITU-T0.41標(biāo)準(zhǔn)，制定了YD/T983-1998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法》，詳盡規(guī)定了通信電源設(shè)備包括通信開關(guān)電源的電磁兼容性的具體測試項(xiàng)目、要求及測試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗(yàn)、達(dá)標(biāo)并通過入網(wǎng)檢測明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)。[!--empirenews.page--]

國標(biāo)也等同采用了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。如GB/T17626.1~12系列標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn);GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備的無線電干擾限值及測量方法》等同采用CISPR22;GB/T17618-1998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》等同采用CISPR24。

3 開關(guān)電源的電磁兼容性問題的由來

電磁兼容產(chǎn)生的3個(gè)要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。

開關(guān)電源因工作在開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當(dāng)復(fù)雜的。我們從開關(guān)電源的組成原理來分析其產(chǎn)生電磁干擾的原由。

開關(guān)電源的種類很多，按電路結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)式和直流變換式兩種;按激勵(lì)方式可分為自激和他激兩種;按開關(guān)管的組合可分為單管、全橋、半橋、推挽，等等。然而，無論何種類型的開關(guān)電源，均是利用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，以開和關(guān)的時(shí)間比例來控制輸出電壓的高低。由于開關(guān)電源的工作頻率都在幾十至幾百kHz，所以線路中的電流和電壓變化率都很大，產(chǎn)生了很大的電磁干擾，它們會通過電源線以共模和差模的方式向外傳輸干擾，同時(shí)也會向周圍空間輻射干擾。圖1是普通開關(guān)電源線路圖，用于說明電源中電磁干擾的產(chǎn)生與耦合途徑。

圖1 開關(guān)電源電路簡圖

3.1輸入整流回路

在輸入整流回路中，整流管VD1~VD4只有在脈動電壓超過輸入濾波電容C1上的電壓的時(shí)候才能導(dǎo)通，電流才從市電電源輸入，并對C1進(jìn)行充電。一旦C1上的電壓高于市電電源的瞬時(shí)電壓，整流管截止。所以，輸入整流回路的電流是脈沖性質(zhì)的，有著豐富的高次諧波電流。輸入電流與市電電源電壓的不同步，還導(dǎo)致了開關(guān)電源的功率因數(shù)低下。

3 .2開關(guān)回路

開關(guān)電源在工作時(shí)，開關(guān)管VT處于高頻通斷狀態(tài)，經(jīng)由高頻變壓器T的初級線圈、開關(guān)管VT和輸入濾波電容C1形成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。這個(gè)環(huán)路的存在，就有可能對空間形成電磁輻射。

輸入濾波電容C1對電磁干擾的形成也有一定的影響，如果C1的電容量不足夠大，則輸入濾波效果不好，這時(shí)高頻電流還會以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去。

此外，在開關(guān)回路中，開關(guān)管驅(qū)動的負(fù)載是高頻變壓器的初級線圈，是電感性的，由于高頻變壓器的結(jié)構(gòu)不是完全理想的，除了初級電感外，還存在一定的漏電感。所以，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器中存儲的能量不能完全地傳送到次級，結(jié)果在高頻變壓器的漏電感上感應(yīng)出一個(gè)尖峰高電壓，如果尖峰有足夠高的幅度，很有可能會造成開關(guān)管VT的擊穿。

3.3 次級整流回路

開關(guān)電源在工作時(shí)，次級整流回路的VD5也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線圈、整流二極管VD5和濾波電容C2構(gòu)成了高頻開關(guān)電流環(huán)路。由于有這個(gè)環(huán)路的存在，同樣也有可能對空間形成電磁輻射。

次級整流回路中的二極管在正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)被充電;在加反向電壓時(shí)，積累的電荷將被拋散，并因此產(chǎn)生反向電流，這個(gè)過程非常短暫。所以，在有分布電感和分布電容存在的回路里，實(shí)際上也形成了一個(gè)高頻的諧振電路，當(dāng)二極管截止瞬間的電流變化非常劇熱時(shí)，在整個(gè)次級整流回路中會產(chǎn)生高頻衰減振蕩。

3.4控制回路

在控制回路中的脈沖控制信號是主要的干擾源，只不過與其它各項(xiàng)干擾源比較起來，控制回路的干擾比較小。

3.5由分布電容引起的干擾

(1)由初級回路開關(guān)管外殼與散熱器的容性耦合引起的共模傳導(dǎo)干擾 在初級回路中，開關(guān)管外殼與散熱器之間的容性耦合，會在電源輸入端產(chǎn)生傳導(dǎo)共模干擾。該共模傳導(dǎo)的途徑形成一個(gè)環(huán)路。該環(huán)路始于高du/dt的散熱器和安全接地線，通過交流電源的高頻導(dǎo)納和輸入電源線返回。[!--empirenews.page--]

(2)由高頻變壓器初次級之間分布電容引起的共模傳導(dǎo)干擾

共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它不會通過變壓器“電生磁和磁生電”的機(jī)理來傳遞，而必須通過變壓器繞組間的耦合電容傳遞。在開關(guān)電源的高頻變壓器初次級之間存在著分布電容是個(gè)不爭的事實(shí)。

3.6 產(chǎn)生干擾的其它原因

開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關(guān)無損吸收電路，多利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換。因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。

開關(guān)電源中，一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對差模及共模干擾信號的濾波，以及交流方波信號轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻干擾信號穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。隨著干擾信號頻率的上升，由于引線電感的作用，導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降，直至達(dá)到諧振頻率以上時(shí)，完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行浴２徽_地使用濾波電容及引線過長，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)原因。

開關(guān)電源PCB布線不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、電源線輸入濾波不合理、輸入輸出電源線布線不合理、檢測電路的設(shè)計(jì)不合理，均會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。

4 電磁兼容性研究及解決方法[3][4]

電磁兼容性的研究。一般運(yùn)用CISPR16及IEC61000中規(guī)定的電磁場檢測儀器及各種干擾信號模擬器、附助設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)測試場地或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部，通過詳盡的測試分析、結(jié)合對電路性能的理解來進(jìn)行分析研究。

從電磁兼容性的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性，可從3個(gè)方面入手：

(1)減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號;

(2)切斷干擾信號的傳播途徑;

(3)增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力。

在解決開關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性時(shí)，可以綜合運(yùn)用上述3個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。

對開關(guān)電源產(chǎn)生的對外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)干擾、電磁場輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善有源功率因數(shù)校正(APFC)電路的性能，減少開關(guān)管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降取Ａ硪环矫妫訌?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。

對外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊，應(yīng)優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50µs開路電壓及8/20µs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，可采用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號電路與機(jī)殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來解決?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼念l譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號濾波(如加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等)來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

減小開關(guān)電源的內(nèi)部干擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：注意數(shù)字電路與模擬電路PCB布線的正確區(qū)分、數(shù)字電路與模擬電路電源的正確去耦;注意數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響;布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_;減小地線阻抗;減小高壓大電流線路特別是變壓器原邊與開關(guān)管、電源濾波電容電路所包圍的面積;減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積;減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容;采用諧振頻率高的濾波電容器等。[!--empirenews.page--]

5 結(jié)語

如今EMI/EMC問題已成為開關(guān)電源穩(wěn)定工作的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是開關(guān)電源能否更加廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。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。產(chǎn)生開關(guān)電源電磁干擾的因素很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關(guān)電源的各種干擾會使開關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢振宇.開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測試[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 周志敏,周紀(jì)海, 紀(jì)愛華.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)—— 設(shè)計(jì)與應(yīng)用(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3] 劉志雄.淺議開關(guān)電源的干擾源[J].湖南農(nóng)機(jī),2008(1).113-114.

[4] 劉先鋒,王連群, 趙培均,等. 開關(guān)電源電磁干擾抑制方法探討[J].通信電源技術(shù),

2011,28(3).53-55.

作者簡介

姚志樹(1978-)，男，江蘇鹽城市人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電源技術(shù)?！?/p>