高频开关电源电磁干扰.docx

高频开关电源的干扰与抑制内容摘要现代电子、通信技术的发展对电源的要求越来越高。高频开关电源以其体积小、重量轻、变换效率高等优点，广泛应用于家电、计算机、通信、控制等设备中。但高频开关电源固有的高频辐射及传导的电磁干扰发射对开关电源效率及使用的影响已成为人们关注的热点。因此，本文主要研究了高频开关电源电磁干扰及其抑制措施。论文首先介绍了开关电源的概念、高频开关电源电磁干扰产生的原因，并综述了高频开关电源的发展趋势，其次具体探讨了抑制高频开关电源电磁干扰的措施。关键词：高频开关电源；电磁干扰；抑制措施目 录内容摘要I引 言11 高频开关电源电磁干扰产生的原因分析21.1 开关电源的定义21.2 高频开关电源的电磁干扰分析21.3 高频开关电源的发展趋势32 高频开关电源的电磁干扰的抑制措施62.1 抑制开关电源中各类电磁干扰源62.2 破坏电磁干扰传输途径62.3 其它解决方法83 高频开关电源电子干扰滤波的分析与仿真93.1 研究方法和实验方案93.2 开关电源电磁干扰的仿真10结 论12参考文献13II引 言开关电源由于具有体积小、重量轻、效率高、稳压范围宽等许多优点，己经广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。然而，开关电源自身产生的各种噪声干扰却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，不仅对与通信电源在同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰，同时对由通信电源供电的其它设备产生干扰，使设备不能正常工作；另一方面严重的谐波电压电流在开关电源内部产生电磁干扰，从而造成开关电源内部工作的不稳定，使电源的性能降低。因此，只有提高开关电源的电磁兼容性，才能发挥开关电源的更大优势，使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。1 高频开关电源电磁干扰产生的原因分析1.1 开关电源的定义开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。这样一来，如果把四大类基本电力电子电路（AC-DC电路、DC-AC电路、AC-AC电路、DC-DC电路）都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。但是在实际应用中，开关电源所涵盖的范围比这个范围要小的多。同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是：开关（电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态）、高频（电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频）和直流（电源输出是直流而不是交流）。1.2 高频开关电源的电磁干扰分析根据开关电源的工作原理可知，开关电源本身就是一个很强的电磁干扰源。开关电源产生的干扰，按干扰源种类，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰通过交流电源传播，频率低于30MHz；辐射干扰通过空气传播，频率在30MHz以上。下面就以传导干扰和辐射干扰来分析开关电源产生的电磁干扰。（1）一次整流器一次整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为工频交流正弦波电源通过整流后变成单向脉动电源，已不再是单一频率的电流，此电流可分解为一直流分量和一系列频率不同的谐波分量之和，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。（2）开关管与二次整流管开关管、二次整流管高频通断时所产生的电压、电流变化率dv/dt、di/dt是具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很强的干扰源。开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源。其工作频率直接与电磁干扰的强度相关。随着开关管的工作频率升高，开关管电压、电流的切换速度加快，其传导干扰和辐射干扰也随之增加。（3）高频开关变压器开关管负载为高频开关变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并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传输到次级线圈，而是通过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，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，重者有可能击穿开关管。另外，高频开关变压器初级线圈、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。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。（4）控制电路引起的电磁干扰控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。（5）杂散参数影响产生的电磁干扰在传导干扰频段，多数开关电源干扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁干扰的通道。另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射干扰和电源线传导的传导干扰。1.3 高频开关电源的发展趋势（1）高频化电气产品的变压器、电感和电容的体积、重量与供电频率的平方根成反比，当把频率从50Hz提高到20kHz以上，提高几百倍甚至上千倍的话，用电设备的体积和重量大体可以下降至工频设计的5%10%以上。电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源通过实现功率变换成为“开关变换类电源”，不仅可以大幅度节约材料，还可节约用电30%以上。（2）模块化在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到大容量、高电压的电源系统，产品设计中提高了集成度，出现了集成电力电子模块（IPEM）。IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成为一体封装的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。无论是AC/DC或是DC/DC变换器都是朝着模块化方向发展，其特点是：可用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式结构，实现热更换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并用可实现大功率电源系统。此外，还可在电源系统建成后，根据需要扩充容量。（3）并联均流随着高频电源技术及新型功率器件的发展，对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了多个新的研究方向。从电路的角度来考虑开关电源的容量扩充技术，可分为两大类：第一类，通过器件的串、并联增大电源的工作电压或电流，实现扩容的目的。该技术必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数目越多，装置的可靠性越差。第二类，通过多台单机电源的并联，实现扩容和冗余设计的目的。该技术是在器件并联技术的基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，设计灵活。模块化电源系统完全打破了单机电源在功率上的局限，用户可以根据电源的功率需求进行组合，当某一模块发生故障，可以热更换此模块，而其他模块平均分担该故障模块的负载，不影响整个系统的工作。（4）数字化在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善，显示出越来越多的优点：1）通过软件实现采样信号数据处理以及复杂控制算法，使电源具有智能化特点。2）电源工作参数通过软件更改并固化在非易失性存储器中，升级方便灵活。3）高性能微控制器可以在实现复杂功能要求的同时，简化电源系统的硬件电路。4）采用数字控制技术，突破了模拟电路的瓶颈，提高了系统的稳定性与可靠性。5）有利于知识产权的保护。由于数字电路的种种优点，数字开关电源已经广泛应用在计算机、通讯、工业、医疗等领域，成为国内外开关电源行业发展的必然趋势。（5）绿色化在致力于节能减排，提高能源利用率的大趋势下，大功率电源系统的绿色化成为一个越来越重要的问题。所谓电源绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能或尽量减少对电网产生污染，国际电工委员会（IEC）对此制订了一系列的标准，如IEC555、IEC917、IEC1000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网诸如严重的高次谐波电流，使功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为21世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。2 高频开关电源的电磁干扰的抑制措施2.1 抑制开关电源中各类电磁干扰源（1）功率因数校正（PFC）技术为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。（2）软开关技术软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。（3）整流管串联电感电路输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，饱和电感与二极管串联工作。饱和电感的磁芯是用具有矩形BH曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导率，该种磁芯在BH曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。2.2 破坏电磁干扰传输途径（1）采用电源输入EMI滤波器滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如，在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中，还可采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。在电源进线端通常采用如图2.1所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。图2.1 电源输入EMI滤波器图2.1中各元器件的作用： L，C1，C2用于滤除共模干扰信号。L是共模电感，通常电感量为2mH33mH左右。C1，C2为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。 C3，C4用于滤除差模干扰信号。C3，C4为电源跨接电容，又称X电容。常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容。电容量取0.22F0.47F。（2）采用开关管和输出二极管的缓冲电路由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰，可以通过增加缓冲电路来减小。如图2.2所示：图2.2 缓冲电路 图2.2中C1，R1，D1组成snubber电路，吸收残存在变压器漏感中的能量，能够减小开关管关断时的浪涌电压。 图2.2中C2，R2，D2组成开关管缓冲电路，减小开关管的dV/dt，即减小由此产生的干扰。 图2.2中C3，R3组成输出二极管的缓冲电路，减小di/dt，另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。.使用屏蔽和接地降低电磁敏感设备的敏感性采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如，功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。2.3 其它解决方法（1）采取合理的印制板布局印制板布局时，要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点。控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式。脉冲电流流过的区域最好远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积，缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管，器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响。在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径。（2）采取合理的PCB布线PCB布线时，高频数字信号线要用短线，主要信号线最好集中在PCB板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次，可以根据耦合系数来布线，尽量减少干扰耦合。印制板的电源线和地线印制条尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。另外相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角，禁止环形走线。滤波器的输入和输出线必须分开，禁止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。3 高频开关电源电子干扰滤波的分析与仿真3.1 研究方法和实验方案（1）开关电源频率分布根据开关电源产生共模、差模干扰的特点，可以粗略按干扰的分布划分3个频段:0.150.50MHz差模干扰为主；0.55MHz差模、共模干扰共存；530MHz共模干扰为主。（2）共模和差模等效电路在进行EMI电源滤波器电路结构分析时，通常将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等效电路的A参数矩阵，并得出对应的插入损耗。分别给出滤波器在理想状态下的共模等效电路和差模等效电路如图3.1、图3.2所示。图3.1 理想共模等效电路 图3.2 理想差模等效电路（3）干扰信号分析近年来，共模和差模干扰信号分离技术发展日渐成熟，可通过多种方法获得共模和差模干扰信号各自的相量成分大小。常用的干扰信号分离方法有电流探棒、差模拒斥网络以及干扰分离器等。在进行传导型电磁干扰测量时，必须使用传输线阻抗稳定网络，它是电磁兼容检测规定的线性阻抗固定网络，其主要功能是提供待测物工作电源，隔绝外部干扰，并提供一个固定阻抗，以摄取待测物干扰，利用频谱分析仪读取干扰的大小，测量电路如图3.3所示。当分别获知干扰源共模和差模干扰大小时，便可利用共模和差模等效滤波电路，并依据所需的衰减量设计适当的元件值根据现有条件，通过对测试结果和标准要求的综合分析可得滤波器抑制共模和差模干扰需要达到衰减量。共模和差模插入损耗与频率对应关系如表3.1所示。图3.3 传导型MEI测量装置表3.1 插入损耗和频率的对应关系f/MHz0.20.40.60.8l510共模电路插入损耗/dB43505868705855差模电路插入损耗/dB505662667064583.2 开关电源电磁干扰的仿真所有算法采用Matlab语言编程实现。从程序功能分为滤波器设计和滤波器分析两大模块。（1）共模电感和差模电感的计算共