開關(guān)電源的抗干擾設(shè)計(jì)

摘要：列舉了開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的幾個問題，簡要敘述了抑制開關(guān)電源EMI的措施。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾，濾波；抑制

1前言

電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展一方面帶動了電源技術(shù)的發(fā)展，另一方面也給電源產(chǎn)品提出了越來越高的要求。開關(guān)電源具有線性電源無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、效率高等。但是，功率密度的增大和頻率的提高所產(chǎn)生的電磁干擾對電源本身及周圍電子設(shè)備的正常工作都造成威脅。開關(guān)變換器本身具有一定的開關(guān)噪聲，從而會從電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號。電磁干擾的產(chǎn)生是由開關(guān)電源本身的特點(diǎn)所決定的，是難以避免的，關(guān)鍵是如何采取有效的措施來減小其干擾程度。

電磁兼容(EMC)是指在有限的空間、時間和頻率范圍內(nèi)各種電器設(shè)備共存而不引起性能下降。它包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面的內(nèi)容。EMI是指電器產(chǎn)品向外發(fā)出干擾，EMS是指電器產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設(shè)備應(yīng)既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對周圍環(huán)境造成電磁干擾。

2開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個方面：

1）濾波器

2）高頻變壓器

3）軟開關(guān)技術(shù) 4）共模干擾的有源抑制

5）印制線路板布線的EMC設(shè)計(jì)

3EMC的設(shè)計(jì)措施

3.1濾波器

濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。它不僅可抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器，并正確地安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分，具體措施如下： 1）在交流電輸入端加裝電源濾波器，其電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100～700μH,Cd取1～10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

所有電源濾波器都必須接地（廠家特別說明允許不接地的除外），因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼

圖1電源濾波器

與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低濾波效果越好。

濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。

2）在電源輸出端加輸出濾波器。加裝高頻電容，加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，可以抑制差模噪聲。如果把多個電容并聯(lián)，則效果會更好。3.2高頻變壓器

在高頻變壓器的原邊、副邊、開關(guān)管的C、E極間以及在輸出整流二極管上加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)。

3.3軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用有助于電磁干擾的降低，這是因?yàn)楣β蔒OSFET、IGBT在零電壓情況下導(dǎo)通和零電流情況下關(guān)斷，且快速恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷，可以減小功率電路中功率器件的di/dt和dv/dt，從而可以減小EMI電平。通過實(shí)驗(yàn)證明軟開關(guān)技術(shù)只在抑制紋波的高次諧波上有一定效果。

3.4共模干擾的有源抑制技術(shù)

共模干擾有源抑制技術(shù)是一種從噪聲源采取措施來抑制共模干擾的方法。這種方法的思路是設(shè)法從主電路中取出一個與導(dǎo)致EMI的主要開關(guān)電壓波形完全反相的補(bǔ)償EMI噪聲電壓，并用它去平衡原開關(guān)電壓的影響。

3.5印制線路板

實(shí)踐證明，印制板的元器件布置和布線設(shè)計(jì)對開關(guān)電源EMC性能有極大的影響，在高頻開關(guān)電源中，由于印制板上既有電平為±5V、±15V的小信號控制線，又有高壓電源母線，同時還有一些高頻功率開關(guān)、磁性元件，如何在印制板有限的空間內(nèi)合理地安排元器件位置，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。

3.5.1導(dǎo)線阻抗的影響

通過分析印制導(dǎo)線的特性阻抗，來選取印制導(dǎo)線的放置方式、長度、寬度以及布局方式。

單根導(dǎo)線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成

Z=R＋jωL（1）L=2lln（2）

式中：l——導(dǎo)線長度；

b——導(dǎo)線寬度。

顯然，印制線l越短，直流電阻R就越??；同時增加印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。

從式（2）可看出，印制線長度l越短，自感L就越小,而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。而多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，而互感M除受印制線的長度和寬度影響外，印制線之間距也起著重要的作用。M=2l（3）

式中：s——兩線之間的距離，增大兩線的間距可減少互感。[!--empirenews.page--]

針對以上現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)印制電路板時，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗，因?yàn)殡娫淳€、地線和其它印制線都有電感，當(dāng)電源電流變化較大時，將會產(chǎn)生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應(yīng)盡量縮短地線，也可盡量加粗電源線和地線線條。

在雙面印制板設(shè)計(jì)中，除盡可能地加粗電源線和地線線條之外，還應(yīng)在地線和電源線之間安裝高頻特性好的去耦電容。另外，切忌兩條印制信號線平行走線。如果平行走線無法避免，可通過以下方法來補(bǔ)救：1）在兩條信號線之間加一條地線，以起屏蔽作用；

2）盡量拉開兩條平行信號線之間的距離，以降低兩線之間電磁場的影響；

3）使兩條平行的信號線流過的電流方向相反。（目的在于減小感應(yīng)磁通）

3.5.2元器件的布局

在設(shè)計(jì)印制電路板時，通常干擾源和受擾體由于受到工作條件的限制而難以避免。這時，應(yīng)盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離的太遠(yuǎn)而造成印制線過長所帶來的干擾;再者將輸入信號和輸出信號盡量放置在引線端口附近，以避免因耦合路徑而產(chǎn)生的干擾。

4結(jié)構(gòu)上的措施

屏蔽是解決電磁兼容問題的重要且有效的手段

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電磁兼容

之一。目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決，用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題不會影響電路的正常工作。

對于開關(guān)電源來說，主要是做好機(jī)殼屏蔽，高頻變壓器屏蔽，開關(guān)管和整流二極管的屏蔽。

5結(jié)語

通過采取以上措施，可大大減小電源的紋波，我們設(shè)計(jì)的加固機(jī)電源紋波＋噪聲由原來的150～200mV減小到現(xiàn)在的15～30mV。使開關(guān)電源的適用范圍更加廣泛。