小型開關(guān)電源的抗電磁干擾設(shè)計(jì)

摘要：基于小型開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁干擾污染電網(wǎng)，同時它們又容易受到外部電磁環(huán)境的影響，不能精確地工作。我們采用了濾波、屏蔽、接地等技術(shù)，使小開關(guān)電源的EMI被控制在EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限下，使它們能夠良好地工作又不至于污染電網(wǎng)。特別在文中對小開關(guān)電源的電路進(jìn)行了改進(jìn)，使這類電源能夠有效地吸收和抑制干擾。大量的實(shí)踐證明本文中采用的方案經(jīng)濟(jì)可靠地解決了小開關(guān)電源的抗干擾問題，不但能夠改善小開關(guān)電源的性能，還降低了小開關(guān)電源的故障率，使小型開關(guān)電源的使用范圍更加廣泛。
關(guān)鍵詞：EMI電磁干擾；EMC電磁兼容；濾波；抑制

文中的小型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)為單端反激式變換器，工作特性為高電壓、小功率5～150 W的電源，工作頻率在20 kH以上。這種開關(guān)電源功率密度大，智能化程度高，體積小，重量輕．在工業(yè)、國防、家電上大量使用。但是，該類型開關(guān)電源由于其固有的結(jié)構(gòu)特性，它會產(chǎn)生干擾，注入電網(wǎng)并污染電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備的正常工作，所以這種電源如果不采取一定的措施就無法應(yīng)用于一些精密的電子儀器中，因此降低該類型開關(guān)電源對外部環(huán)境的電磁干擾即EMI，是我們的一個重要的任務(wù)。
第二個我們必須解決的問題是其對工作環(huán)境的適應(yīng)性即抗干擾能力。由于該開關(guān)電源的工作環(huán)境是處于近千伏的電壓到幾伏的電壓信號，從高頻到低頻信號，還有開關(guān)電源的內(nèi)部電磁的分布相當(dāng)復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部PCB布線，容易導(dǎo)致該系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，且容易受到外部的浪涌、靜電放電、電快速脈沖群的影響，使該開關(guān)電源不能精確地工作。
綜上所述，我們要求該開關(guān)電源必須滿足兩點(diǎn)要求：1)對周圍的電磁環(huán)境不造成污染，2)它在現(xiàn)實(shí)的電磁工作環(huán)境中不至于性能下降或發(fā)生故障。

1 開關(guān)電源的EMI
開關(guān)電源的干擾情況如圖1所示。

1)開關(guān)電源的工頻整流采用橋式整流，如圖2所示，大濾波電容充放電，沒有PFC，輸入電流是一個時間短，峰值很高的周期性尖峰電流，這種畸變的電流含有豐富的高次諧波分量，它們注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染且整流二極管在反向恢復(fù)期間會引起高頻衰減而產(chǎn)生干擾，另外濾波電容的等效串聯(lián)電感也會產(chǎn)生干擾。

2)開關(guān)管VT由于極短的導(dǎo)通時間及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的du／dt和很高的尖峰電壓；開關(guān)管在關(guān)斷時，關(guān)斷時間短，將產(chǎn)生很大的di／dt和很高的電流尖峰，開關(guān)電源的這種尖峰干擾通過輸入／輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，即傳導(dǎo)性EMI。而在輸入／輸出線傳播時，會在空間中產(chǎn)生電磁場，發(fā)生電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。開關(guān)電源中開關(guān)管的頻率越高，它產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也越強(qiáng)。
3)圖2中，高頻整流二極管VD5也是一個重要的高頻干擾源，它高速的通斷工作在很高的du／dt、di／dt下會產(chǎn)生高頻干擾沿直流輸出線傳出去。
4)變壓器等磁性元件引起的EMI
①高頻變壓器初級L1、開關(guān)管VT和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路能產(chǎn)生較大的空間輻射。如果電容器C1濾波不足，高頻電流會以差模方式傳導(dǎo)到輸入交流電源中如圖2中的I1。
②高頻變壓器次級L2整流二極管VD5、濾波電容C2構(gòu)成高頻開關(guān)電流環(huán)路，會產(chǎn)生空間輻射，如果電容器濾波不足，高頻電流將會以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導(dǎo)如圖2中I2。
③高頻變壓器的初級和次級間存在分布電容，初級的高頻電壓通過這個分布電容直接藕和到次級上去，在次級的兩根輸出線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲，如果兩根線對地阻抗不平衡，還會轉(zhuǎn)變成差模噪聲。
5)高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，高頻工作時，導(dǎo)線變成了發(fā)射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路，會使其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響并使其頻率特性發(fā)生了相當(dāng)大的變化，變成開關(guān)電源中的輻射干擾源。
6)電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的EMI沿電源線進(jìn)入開關(guān)電源，主要以共?；虿钅煞N方式存在，其中能夠?qū)﹄娫丛斐蓳p壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。