刍议如何控制开关电源电磁干扰

摘　要:通信开关电源是通信系统中的一种主要的干扰源之一,由于它本身工作特点使得电磁干扰问题相当突出,从通信电源电磁干扰的机理着手,分别论述了有源滤波技术、PCB设计技术、扩频调制技术等来抑制电磁干扰,改善了开关电源电磁兼容的性能，为工程设计人员提供了理论参考。

关键词:开关电源;电磁干扰;抑制措施

1 通信开关电源的干扰

通信开关电源要稳定工作就要有很强的抗电磁干扰能力，对于电场，磁场及电磁波等要有足够的抗干扰能力，保证自身能够正常工作以及通信设备供电的稳定且不间断，同时也要不受通信系统本身因通信时电磁波带来的干扰。一般来讲，开关电源受到的干扰源有电压电流快速变化造成的干扰，传导干扰和辐射干扰。开关电源的干扰来源有：开关电源的大功率开关管工作在高压大电流的切换状态，由导通切换为关断状态时形成浪涌电压，或由关断切换为导通状态时形成的浪涌电流，它们的高次谐波成分会通过空间向外发射或通过电源线的传导构成干扰源。由关断切换为导通状态时，开关变压器副方的整流二极管受反方向恢复特性的限制，产生尖峰状的反向电流，它与二极管结电容以及引线电感等形成阻尼正弦振荡，也含有大量的谐波成分，构成干扰。

2 通信开关电源的特性及电磁干扰产生的机理

2.1　开关电源基本特性。开关电源的基本特性有四点:①位置较为清楚.主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上;②能量转换装置工作于开关状态.因开关电源是工作于开关状态的能量转换装置,故其电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;③电源印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置.这种布置使其具有很大的随意性,增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预测评估的难度;④开关频率大,可从几万Hz到数兆Hz,主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

2.2　电磁干扰产生机理。1)开关电路产生的电磁干扰。开关电路是开关电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成,它产生的dv/dt是具有较大幅度脉冲,频带较宽且谐波丰富.这种脉冲干扰产生的主要原因有两个方面:一方面开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载.在开关管导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰.这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变,这个噪声会传导到输入输出端,形成传导干扰.另一个方面脉冲变压器初级线圈,开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射干扰.2)二极管的反向恢复时间引起的干扰。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt) .

3　电磁干扰抑制措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备.因而,抑制电磁干扰应从这三方面入手.抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力,从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。

3.1　采用滤波器抑制电磁干扰。滤波是抑制电磁干扰的重要方法,它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备,还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网.在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器,不但可以解决传导干扰问题,同时也是解决辐射干扰的重要武器.滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波两种方式。

1)无源滤波技术无源滤波电路简单,成本低廉,工作性能可靠,是抑制电磁干扰的有效方式.无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成,其直接作用是解决传导发射。由于原电源电路中滤波电容容量大,整流电路中会产生脉冲尖峰电流,这个电流由非常多的高次谐波电流组成,对电网产生干扰;另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流.由于电流变化率很高,对周围电路会产生出不同频率的感应电流,其中包括差模和共模干扰信号,这些干扰信号可以通过两根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备.图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号,又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网.又根据电磁感应定律,得E=Ldi/dt,E为L两端的电压降,L为电感量,di/dt为电流变化率.显然要求电流变化率越小,则要求电感量就越大.脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号;开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场,电路会产生位移电流,而这个位移电流也属于共模干扰信号.图中共模滤波器就是用来抑制共模干扰,使之受到衰减。2)有源滤波技术。有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法.这是一种从噪声源出发而采取的措施。其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平原来的干扰信号,以达到降低干扰水平的目的.如图,利用晶体管的电流放大作用,通过把发射极的电流折合到基极,在基极回路来滤波.R1、C2组成的滤波器使基极纹波很小,这样射极的纹波也很小.由于C2的容量小于C3,减小了电容的体积.这种方式仅适合低压小功率电源的情况.

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