開關(guān)電源電磁干擾的抑制措施及應(yīng)用

黃旭，隋斌

丹東華通測控有限公司，遼寧 丹東 118009

1 概述

由于開關(guān)電源的電磁干擾EMI信號(hào)輸出既能有很寬的頻率范圍，又具有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射后會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。因此，如何進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，有效地抑制開關(guān)電源的電磁干擾，對(duì)保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 開關(guān)電源的電磁干擾

2.1 開關(guān)電源的工作原理

直流開關(guān)電源由輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉(zhuǎn)換部分是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)三極管和高頻變壓器組成。它首先將工頻交流電整流為直流電，然后經(jīng)過開關(guān)管的控制變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓（其原理圖及等效原理框圖如圖1所示）。

2.2 電磁干擾EMI的特點(diǎn)

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大，干擾源主要集中在開關(guān)管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時(shí)，雜散電容會(huì)將電網(wǎng)的噪聲傳導(dǎo)到電子系統(tǒng)的電源而對(duì)電子線路的工作產(chǎn)生干擾。相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚，開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾； PCB走線因需采用手工調(diào)整，具有隨意性，這更增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計(jì)的難度。

3 電磁兼容性EMC設(shè)計(jì)

圖1

電磁兼容性EMC設(shè)計(jì)包括兩層含義，一是設(shè)備在工作中產(chǎn)生的電磁輻射必須限制在一定水平內(nèi)，二是設(shè)備本身要有一定的抗干擾能力。

形成電磁干擾的三要素是干擾源、耦合通道、敏感體。因而，抑制電磁干擾即進(jìn)行電磁兼容性EMC設(shè)計(jì)首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。

應(yīng)用實(shí)例：丹東華通測控有限公司生產(chǎn)的PDM系列智能電力綜合監(jiān)控儀表如：三相綜合電力監(jiān)控儀820系列儀表的開關(guān)電源部分就是采取切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，運(yùn)用了屏蔽、濾波、接地等技術(shù)來提高電力儀表的抗擾能力。

3.1 采用屏蔽技術(shù)

由于功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上，這樣易產(chǎn)生共模干擾，通過采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，從而割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。

3.2 做到安全接地

為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采用單點(diǎn)接地法，利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。低頻電路采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，高頻電路采用多點(diǎn)接地，并把電源地、信號(hào)地和屏蔽地接到公共的地線上。與印刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí)，采用屏蔽電纜，并對(duì)于高頻和數(shù)字信號(hào)屏蔽電纜兩端都接地。

3.3 濾波

在電源輸入端接上濾波器，即可抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，又可抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。

3.4 PCB布線時(shí)所采取的措施

布線開關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可起到天線的作用，噪聲通過引線向外發(fā)射，因此布線時(shí)，將所有通過高頻交流的電流印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，根據(jù)印制線路經(jīng)電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。

在每個(gè)集成電路的電源，地之間都要加一個(gè)去耦電容。一方面可提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

將所有連接到印制線和其他電源線的元器件放置得很近，主要信號(hào)線集中在PCB板中心，同時(shí)電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號(hào)線或用地線隔開。屏蔽線上放置多個(gè)接地過孔，元器件與板保持水平且緊靠板。

3.5 元器件選用

盡量不選用比實(shí)際需要的速度更快的元件，在布局上，把模擬信號(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分這三部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合為最小。輸入器件與輸出器件盡量遠(yuǎn)離，元件的引腳長度盡可能短，以減小元件分布電感的影響。

3.6 進(jìn)行EMC測試

在測試儀器方面，我們選用了以雷擊浪涌發(fā)生器、高頻噪聲抗擾度發(fā)生器、群脈沖發(fā)生器、靜電發(fā)生器等為核心的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值作為判定依據(jù)，通過進(jìn)行EMC測試可以消除絕大部分的電磁干擾，能指導(dǎo)產(chǎn)品如何改進(jìn)設(shè)計(jì)、抑制EMI發(fā)射，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠度。

現(xiàn)PDM系列智能電力綜合監(jiān)控儀表能適用多種復(fù)雜環(huán)境及惡劣場所，應(yīng)用在諸永高速公路、北京德勝科技大廈項(xiàng)目等多個(gè)工程項(xiàng)目中。

4 結(jié)論

抑制開關(guān)電源電磁干擾的措施還有很多，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素，盡可能抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪音，并通過提高開關(guān)電源的電磁兼容性來保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

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