讨论开关电源的电磁干扰！（一）

引言

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否**可靠地工作。目前，常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两类。开关电源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达70%〜90%,比普通线性稳压电源效率提高了近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器。

开关电源以其体积小、功率因数较大等诸多优点，而在通信、控制、计算机等领域具有广泛的用途。但是，由于其同时会产生电磁干扰，因而在一定程度上限制了开关电源的使用。

电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指电子、电气设备或系统的一种工作状态，在这种工作状态下，它们不会因为内部或彼此之间存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。

电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)则是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰。按频带分，可分为宽带干扰与窄带干扰。传导干扰又可分为共模干扰和差模干扰。辐射干扰也可分为共模干扰和差模干扰。

1  开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分,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。现在按噪声干扰源来分别说明。

1.1  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/di）。

1.2  开关管工作时产生的谐波干扰

一般情况下，功率开关管在导通时，都会流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

1.3  交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。

开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

1.4  其他原因

元器件的寄生参数,开关电源的原理图设计不够**，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性,PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

经过20多年的发展，开关电源现在已经大量投放市场。由于开关电源通常具有高功率密度、高效率等优点，目前已经广泛应用在计算机、电视机、通信设备、控制装置等设备之中。随着功率半导体器件，如MOSFETJGBT的发展和开关技术的进步，开关电源的开关频率和功率密度不断上升，这些都导致开关电源内部的电磁环境越来越恶劣，同时对周围的电子设备及电源本身的正常工作造成了威胁。因此，降低开关电源的EMI成为开关电源设计中的重要课题之一。

在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分（DC/DC部分）；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个PCB上。前者在多数情况下都是干扰源;后者则属于弱电部分，是敏感设备。PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，因而增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度，因而控制模块可能会受到干扰而不能正常工作。开关电源的开关频率不是很高，其产生的辐射干扰主要在其附近。由于开关频率的提高将使体积减小、重量减轻，因而开关频率的进一步提高，使得辐射干扰变得更为严重。与信号处理电路中线路阻抗匹配的情况不同，开关电源的干扰源阻抗与网络不仅不配合，而且随工况变化，这无疑给EMI滤波器的设计带来了一定的困难。同时EMI滤波器中的L、C组件还必须受到很大的无功功率,这些降低了开关电源的整体效率，增大了开关电源的体积。另外，开关电源EMI滤波器在高频段难以达到设计要求也是一个重要的问题。

1.5  开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高（从几十千赫兹到数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

2  EMI形成的三个因素

2.1  电磁干扰源

电磁干扰源是指会产生EMI的组件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。电磁干扰源分为自然干扰源和人为干扰源。雷电放电，沙漠地区的沙暴和尘暴产生的局部EMI等。天电干扰源以及电阻等电子元器件产生的热噪声等属于自然干扰源。常见的人为干扰源包括电力线干扰源、旋转机械干扰源、点火系统干扰源和功能干扰源。

2.2  敏感设备

敏感设备指的是可能对电磁干扰发生回应的设备。

2.3  耦合路径或称为耦合通道

耦合路径指的是能把能量从干扰源耦合（或传输）到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介。传导干扰和辐射干扰就是按照耦合路径来进行划分的。传导干扰是通过导线进行传播的，耦合干扰是通过“场”进行传播的。因此，分析传导干扰使用“电路”理论,而分析辐射干扰就必须采用电磁场理论。

由此可见，要消除电磁干扰，可以采取去掉干扰

源、切断干扰路径以及降低敏感设备的敏感度这三种办法中的一种即可。

图1所示为EMI形成的三个因素。

图1    EMI形成的三个因素

3  EMC相关标准简介

我国的EMC标准和规范制度工作开展较晚。1966年，我国制定了**个无线电干扰标准JB854-66“船用电气设备无线电干扰端子电压测量方法与允许值气近年来，我国积极借鉴国际标准，制定了一系列EMC的标准和规范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法”，GJB1001—90“超短波辐射测量方法”等。

大多数国家的**和EMC标准通常是合在一起的。CE认证（即欧洲共同体认证）就是一个例子。另一个例子是CCC认证（中国强制认证）。大体上说，在相关地区销售的产品必须有这些认证标志，并被认为是同时符合**和EMC标准的。这些**认证越来越被市场视为产品质量的标志。一般电源工程师几乎可以只考虑欧洲EMI标准中的EN550022C针对IT设备）。该标准*初（实际上沿用至今）被称为CISPR22,它是我们应特别重视的标准。

4  实施电磁兼容性的方法

在电子技术的发展过程中，出现了三种实施电磁兼容性的方法。

4.1  问题解决法

该方法是先进行研制，*后根据研制成的设备和系统在联试中出现的EMI问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。这种办法十分落后，因为系统已经装配好，再去解决EMI问题是十分麻烦的事情。为了解决问题，可能要大量拆卸和修改，严重的也许还要重新设计。这会造成大量的人力、物力浪费，延误系统开发周期。

规范法

规范法是按颁布的电磁兼容性标准和规范进行设备和系统设计制造。该方法在一定程度上能预防EMI问题的出现，比用问题解决法更为合理。但由于标准和规范不可能是针对某个设备系统制定的，因此,企图解决的问题不一定是真正存在的问题，只是为了适应规范而已。另外，规范是建立在电磁兼容实践经验基础上的，没有进行EMI的分析和预测，因而往往导致过多的预防储备，可能使系统成本增加。

系统法

系统法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电磁兼容性预测和分析。系统法从设计开始就预测和分析设备的电磁兼容性，并在设备或系统设计、制造、组装和实验过程中不断对其进行电磁兼容性预测分析。如果预测结果表明存在不兼容问题，则可修改设计后再进行预测，直至预测结果表明完全兼容，才进行硬件生产。