開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計

1、開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計長春工程學(xué)院信息工程系（130012）谷樹忠摘要：系統(tǒng)地分析了開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的主要原因及產(chǎn)生噪聲的回路和部件，給出了相應(yīng)的抗干擾措施，從而提高了開關(guān)電源的電磁兼容性關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 噪聲電磁兼容性開關(guān)電源不需要沉重的電源變壓器，具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點，且市場上已有成品開關(guān)電源集成控制模塊，使電源設(shè)計、調(diào)試簡化許多，所以，在大多數(shù)的電子設(shè)備（如計算機、電視機及各種控制系統(tǒng)）中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，開關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增 強，對電子設(shè)備的正常運行構(gòu)成了潛在的威脅。因此，只有提

2、高開關(guān)電源的電磁兼容性，才能使開關(guān)電源在那些對電源噪 聲指標(biāo)有嚴(yán)格要求的場合下被采用。1開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的原因開關(guān)電源的種類很多，按變換器的電路結(jié)構(gòu)可分為串并聯(lián)式和直流變換式兩種；按激勵方式可分為自激和它激兩種；按開 關(guān)管的組合可分為橋式、半橋式、推挽式等。但無論何種類型的開關(guān)電源都是利用半導(dǎo)體器件的開和關(guān)工作的，并以開和 關(guān)的時間比來控制輸出電壓的高低。由于它通常在20kHz以上的開關(guān)頻率下工作，所以電源線路內(nèi)的dv/dt、di/dt很大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。它們通過電源線以共?；虿钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)，同時還向周圍空間輻射噪聲。圖1給出了一種典型的開關(guān)電源電路的簡圖，下面

3、以此為例分析其產(chǎn)生噪聲的主要原因。hl（ m ）IE I if CULM的荀團聲嫌”的H M 4 n1.1 一次整流回路的噪聲 在一次整流回路中，整流二極管 D1D4只有在脈動電壓超過 C1的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側(cè)流入。所以，一次整流回路產(chǎn)生高次畸變波，形成噪聲。1.2開關(guān)回路的噪聲一是電磁輻射。電源在工作時，開關(guān)管T處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級線圈L1、開關(guān)管T和濾波器C1構(gòu)成的高頻電流環(huán)路中，可能會產(chǎn)生較大的空間輻射噪聲。如果C1的濾波不足，則高頻電流還會以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去。二是感性負(fù)載引起的浪涌電壓。在開關(guān)回路中開關(guān)管T的負(fù)載是脈沖變壓器的初級線圈L1,是

4、感性負(fù)載 所以開關(guān)管在通斷時，在脈沖變壓器的初級線圈的兩端會出現(xiàn)較高的浪涌電壓，很可能造成與此同一回路的電子器件（尤其是開關(guān)管T）的損壞。1.3二次整流回路的噪聲一是電磁輻射。電源在工作時，整流二極管D5也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級線圈L2、整流二極管D5和濾波電 容C2構(gòu)成了高頻開關(guān)電流環(huán)路，可能向空間輻射噪聲。如果電容C2濾波不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上，影響負(fù)載電路的正常工作。二是浪涌電流。硅二極管在正向?qū)〞rPN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時積在短累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中 D5在開關(guān)轉(zhuǎn)換時頻率很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r間很短,

5、時間內(nèi)要讓存儲電荷消失就產(chǎn)生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾 成為高頻衰減振蕩。1.4控制回路的噪聲控制回路中的脈沖控制信號是主要的噪聲源。1.5分布電容引起的噪聲一是Ci的作用。散熱片K與開關(guān)管T的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分 布電容Ci在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過 Ci流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的 保護地線PE中，以產(chǎn)生共模輻射。二是 Cd的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容Cd，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上

6、產(chǎn)生同相位的共模噪聲。2開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計抑制開關(guān)電源的噪聲可采取三方面的技術(shù)。一是減小干擾源的干擾能量；二是破壞干擾路徑；三是采用屏蔽。2.1減小干擾源能量由于開關(guān)電源的干擾源是不可能消除的，所以減小干擾源的能量就顯得非常必要。一般采取的措施有：(1)并接RC電路。在開關(guān)管T兩端加RC吸收電路，如圖2(a)所示。在二次整流回路中的整流二極管D5兩端加RC吸收電路，如圖2(b)所示,抑制浪涌電壓。(2)串接可飽和磁芯線圈。在二次整流回路中，與整流二極管D6串接帶可飽和磁芯的線圈，如圖 2(b)所示。可飽和磁芯線圈在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作；一旦電流要反向流

7、過時，磁芯線圈將 產(chǎn)生很大的反電勢，阻止反向電流的上升，因此將它與二極管D6串聯(lián)就能有效地抑制二極管 D5的反向浪涌電流。目前已有超小型非晶型磁環(huán)成品，可以直接套在二極管的正極引線上，使用方便。Ml I IHli 由2.2破壞干擾路徑一是針對開關(guān)電源中分布電容引起的電場噪聲采取措施。主要抗干擾措施有：(1)減少開關(guān)管集電極和散熱片之間的耦合電容Ci。選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊，加厚墊片的厚度，并采用靜電屏蔽的方法，如圖3所示。一般開關(guān)管的外殼是集電極，在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物，即絕緣物中間夾一層銅箔，作為靜電屏蔽層，接在輸入直流0V地上，散熱片仍接在機殼地上，這樣將大大減少集電

8、極與散熱片之間的耦合電容Ci,也就減少了它們之間的電場耦合。圖3(a)是減少Ci的原理圖，屏蔽層將Ci分成Ci1和Ci2的串聯(lián)形式，圖3 b 是實物圖。減少脈沖變壓器的分布電容 Cd。在 一次側(cè)和二次側(cè)間加靜電屏蔽層，屏蔽層應(yīng)盡量靠近發(fā)射極并接地，這樣將耦合電容Cd也分成Cd1和Cd2的串聯(lián)形式，如圖4所示，減少了一、二次側(cè)的電場的耦合干擾。二是針對開關(guān)電源通過電源線向外傳輸噪聲的特點采取措施，即采用濾波技術(shù)破壞干擾。采用的濾波技術(shù)有：(1)交流側(cè)濾波。開關(guān)電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開關(guān)電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設(shè)備，同時也抑制來自電網(wǎng)的噪聲。

9、交流側(cè)濾波器如圖5(a)所示，其中LD、CD用于抑制差模噪聲，一般 LD取100700 H，CD取110 g F，對抑制10150kHz的噪聲比較有效。LC、CC抑 制共模噪聲，一般 LC取13mH，CC取20006800pF，對抑制150kHz以上的共模噪聲有效。對于具體的開關(guān)電路要對其上述元件的參數(shù)進行調(diào)試確定。(2)直流側(cè)濾波。在開關(guān)電源的直流輸出側(cè)插入如圖5(b)所示的電源濾波器，它由共模扼流圈L1、L2,扼流圈L3和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒g磁芯交wlttA2.3屏蔽抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。用導(dǎo)電良好的材料對電場屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的 磁場泄露，可利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，對整個開關(guān)電源要進行屏蔽。在屏蔽時應(yīng)考慮散