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开关电源电磁干扰机理与抑制措施小析
日期：2024-11-20 08:33
浏览次数：1271
摘要：
开关电源电磁干扰机理与抑制措施小析
一、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、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p n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/dt)。
2、开关管工作时产生的谐波干扰
功率开关管在导通时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。
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之为传导干扰;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。
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（p c b）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，
p c b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。
开关电源电磁干扰机理与抑制措施小析
二、电磁干扰的相关理论
1、开关电源的主要电磁干扰源开关电源中的电磁干扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件。在开关电源中，印制板布线不当也是引起电磁
干扰的一个主要因数。
1.1开关电路产生的电磁干扰
对开关电源来说，开关电路产生的电磁干扰是其主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。他产生的d v/d t具有较大的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是：
(1)开关管负载为高频变压器初级线
圈，是感性负载。在开关导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端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从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和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，形成关断尖峰电压。这种电源电压中断会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。
(2)脉冲变压器初级线圈，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。
1.1.2二极管整流电路产生的电磁干扰
主电路中整流二极管产生的反向恢复电流的|d i/d t|远比续流二极管恢复电流|di/dt|小得多。作为电磁干扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大，频带宽。整流二极管产生的电压跳变远小于电源中的功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁干扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。
2、开关电源电磁干扰的耦合通道
开关电源通过耦合通道对自身产生干扰。通常多采用差模和共模干扰加以分析。
“共模干扰”是指干扰大小和方向一致，其存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模干扰也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是载流体与大地之间的干扰。
“差模干扰”是指干扰大小相等，方向相反，其存在于电源相线与中线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流体之间的干扰。
共模干扰说明了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的。而差模干扰则说明了干扰是源于同一条电路的。通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会互相转化，所以情况非常复杂。
三、抑制干扰的几种措施
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这3方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径（见图2）;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
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**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,*终都与大地相连.
在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现“一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。
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。
产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。**抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用
一、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、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p n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/dt)。
2、开关管工作时产生的谐波干扰
功率开关管在导通时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。
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之为传导干扰;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。
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（p c b）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，
p c b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。
开关电源电磁干扰机理与抑制措施小析
二、电磁干扰的相关理论
1、开关电源的主要电磁干扰源开关电源中的电磁干扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件。在开关电源中，印制板布线不当也是引起电磁
干扰的一个主要因数。
1.1开关电路产生的电磁干扰
对开关电源来说，开关电路产生的电磁干扰是其主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。他产生的d v/d t具有较大的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是：
(1)开关管负载为高频变压器初级线
圈，是感性负载。在开关导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端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从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和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，形成关断尖峰电压。这种电源电压中断会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。
(2)脉冲变压器初级线圈，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。
1.1.2二极管整流电路产生的电磁干扰
主电路中整流二极管产生的反向恢复电流的|d i/d t|远比续流二极管恢复电流|di/dt|小得多。作为电磁干扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大，频带宽。整流二极管产生的电压跳变远小于电源中的功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁干扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。
2、开关电源电磁干扰的耦合通道
开关电源通过耦合通道对自身产生干扰。通常多采用差模和共模干扰加以分析。
“共模干扰”是指干扰大小和方向一致，其存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模干扰也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是载流体与大地之间的干扰。
“差模干扰”是指干扰大小相等，方向相反，其存在于电源相线与中线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流体之间的干扰。
共模干扰说明了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的。而差模干扰则说明了干扰是源于同一条电路的。通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会互相转化，所以情况非常复杂。
三、抑制干扰的几种措施
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这3方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径（见图2）;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
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**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,*终都与大地相连.
在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现“一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。
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。
产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。**抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用
