摘要：伴随着电子技术的发展，高频开关电源已进入各种电子、电器设备领域。现在的高频开关电源控制已向“高、精、尖”方向发展，这些器件体积小、精度高，但电源内部的电磁干扰、辐射比原来更强了，为了使高频开关电源在预期的电磁环境下能正常工作、无性能降低及故障，并对电磁环境中的任何事物不构成电磁干扰，必需对其进行电磁兼容。重点论述高频开关电源中电磁干扰的途径及兼容措施。
关键词：高频开关电源；电磁干扰；电磁兼容；电子技术
随着电子技术以及功率开关管器件的发展，使开关电源越来越工作在高频开关状态，高频开关电源具有完好的电磁兼容性是目前发展的一种趋势。随着开关电源频率的增加，其内部电磁环境变得复杂，引起的传导骚扰以及辐射骚扰也会增加，从而对周围电子设备的正常工作产生重大影响。电磁兼容（EMC）是指设备或系统在其一定的电磁环境中符合要求正常运行并不对其环境中的任何电子设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境不能产生过高的电磁干扰能量，不对处在同一环境中的设备产生过高的电磁干扰EMI；另一方面是指设备正常运行本身要具备一定的抗干扰能力即电磁敏感性。
1.频开关电源电磁骚扰源的分析
图1高频开关电源的主拓扑电路原理图
在图la电路中的整流器、功率管Ql，在图1b电路中的功率管Q：～Qs、高频变压器Tt、输出整流二极管D-～Dz都是高频开关电源工作时产生电磁骚扰的主要骚扰源，具体分析如下。
（1）整流器整流过程产生的高次谐波会沿着电源线产生传导骚扰和辐射骚扰。
（2）开关功率管工作在高频导通和截止的状态，为了降低开关损耗，提高电源功率密度和整体效率，开关管的打开和关断的速度越来越快，一般在几微秒，开关管以这样的速度打开和关断，形成了浪涌电压和浪涌电流，会产生高频高压的尖峰谐波，对空间和交流输入线形成电磁骚扰。
（3）高频变压器T-进行功率变换的同时，产生了交变的电磁场，向空间辐射电磁波，形成了辐射骚扰。变压器的分布电感和电容产生振荡，并通过变压器初次级之间的分布电容耦合到交流输入回路，形成传导骚扰。
（4）在输出电压比较低的情况下，输出整流二极管工作在高频开关状态，也是一种电磁骚扰源。由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压和电流变化率下，二极管反向恢复的时间越长，则尖峰电流的影响也越大，骚扰信号就越强，由此产生高频衰减振荡，这是一种差模传导骚扰。所有产生的这些电磁信号，通过电源线、信号线、接地线等金属导线传输到外部电源形成传导骚扰。通过导线和器件辐射或通过充当天线的互连线辐射的骚扰信号造成辐射骚扰。
2.电磁干扰的控制策略
2.1滤波技术
滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰（EMD滤波器两大类。其中信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器；而电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等。
a）电路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，会使电路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，该高频成分的减少，电路板的辐射将大大改善。
b）电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导干扰，又可以降低从电网引入的传导干扰，可提高设备的可靠性。电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中，其干扰被称为差模干扰。另一种是在和火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模干扰。通常200Hz以下时，差模干扰成分占主要部分。IMHz以上时，共模干扰成分占主要成分。电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但由于电路结构不同，对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样。
2.2屏蔽技术
电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。屏蔽一般分为两类：一类是静电屏蔽，另一类是电磁屏蔽。抑制开关电源产生的干扰辐射的有效方法是屏蔽，即用导电良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，还可利用闭合环形成磁屏蔽，另外在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。
要解决机箱缝隙电磁泄漏的方法是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能的要求。通风口可使用穿孔金属板，只要孔的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。当对通风量的要求高时，必须使用蜂窝板，否则不能兼顾屏蔽和通风量的要求。
3.高频开关电源的电磁兼容措施
针对高频开关电源中存在上述产生电磁干扰的原因，在高频开关电源的设计上可以采取以下几方面的电磁兼容措施。
3.1高频开关电源的电磁脉冲抑制
由于浪涌主要来自雷电，因此电磁脉冲的抑制主要是采用相应的措施在极短的时间内将设备上感应到的大量脉冲能量泄放到安全地线上，进而保护整个设备。一般使用并联压敏电阻、稳压二极管、气体放电管等3种方法来进行抑制，如果设备要求较低，可以采用其中一种方式，如果要求较高，就需要将三者综合在一起使用，才能达到满意的效果。
3.2变压器产生的电磁干扰的抑制
对于变压器产生的电磁干扰，可以采用平面变压器来减少普通变压器产生的电磁干扰。平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯，这些磁芯由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种平面变压器直流铜阻低，漏感和分布电容低，可以满足谐振电路的要求，并且磁芯具有良好的磁屏蔽，可以抑制射频干扰。
3.3设计合理的PCB板
无论高频开关电源电路设计多么合理，只要PCB板设计不合理，就有可能造成过多的电磁干扰，因此应合理设计PCB板。在设计时应主要考虑以下几点：合理布置电源开关交流回路、输出整流交流回路、输入信号电流回路、输出负载电流回路四个回路；合理选择印刷线的长度和宽度，减少频率响应；正确选择接地点，避免自激；尽量加粗接地线，注意布线方向，少拐弯。
结论
总之，开关电源电磁兼容设计的目的是使产品在一定的电磁环境下能正常工作，满足标准规定的电磁极限值要求；同时，还要把电磁兼容性设计和可靠性设计，维护性、维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行，并行开展。在解决电磁干扰的问题上，对电磁环境不构成污染源，从而实现电磁兼容的目的。
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论文作者:黄兆秋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/20
标签：开关电源论文; 滤波器论文; 电磁论文; 电磁干扰论文; 屏蔽论文; 干扰论文; 信号论文; 《电力设备》2019年第3期论文;