開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾分析與整改

杜建立,沈延峰（中國電子科學(xué)研究院系統(tǒng)電磁效能測試評估中心,北京 100041）

開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾分析與整改

杜建立,沈延峰
（中國電子科學(xué)研究院系統(tǒng)電磁效能測試評估中心,北京 100041）

摘 要：本文針對開關(guān)電源在使用過程中對外圍設(shè)備產(chǎn)生的干擾展開研究，分析了其可能帶來的危害以及產(chǎn)生危害的原理，結(jié)合日常測試經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的抑制方法，最后，通過整改實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：EMI；抑制；測試；電源

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品種類的日新月異，各種電子設(shè)備和產(chǎn)品充斥著市場，機(jī)電、機(jī)械、微波、調(diào)頻等等不同門類不同型號，使得人類的生活環(huán)境布滿了各種頻率和頻段的電磁波譜和射線，這些射線相互影響、干擾已經(jīng)嚴(yán)重威脅和影響了儀器設(shè)備的架設(shè)和正常使用，因此，EMC(電磁兼容)問題已經(jīng)被廣泛研究和高度重視。其中，開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾性問題也是不可以回避的問題?？紤]到其與很多線性穩(wěn)壓電源不同，特別是效率高、功耗小、重量輕、體積小等問題，就更不能不進(jìn)行相關(guān)抗干擾的研究。同時，考慮到其主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)，其信號具有寬頻率范圍和幅度的特點(diǎn)以及在傳導(dǎo)和輻射時會污染電磁環(huán)境的特點(diǎn)，必須采取有效措施開展抑制傳導(dǎo)干擾的工作和研究，為此首先要對產(chǎn)品進(jìn)行電磁輻射波診斷，找出干擾源所在的具體位置以及相互干擾的方法和途徑，然后比對測試與分析的結(jié)果，最后根據(jù)結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行屏蔽整改。

1 干擾產(chǎn)生機(jī)理

由于開關(guān)電源中的開關(guān)管頻率較高，在開關(guān)開、閉過程中二極管和晶體管就會產(chǎn)生較高的電壓和電流，這種躍變所產(chǎn)生的峰值脈沖會對包括儲能電感線圈、高頻變壓器、導(dǎo)線、供電電源、機(jī)架、接地平面、互感或電容等產(chǎn)生不可忽略的影響，其中壓器型功率轉(zhuǎn)換電路以及電流高次諧波干擾產(chǎn)生的脈沖躍變電壓的影響最為大。究其原因主要有：正弦波被整流器整流以后成為多頻率的電流， 即單向脈動電流。該電流波形可以被分解成一個直流分量和一系列的交流分量。

分析產(chǎn)生這種脈沖干擾的原因發(fā)現(xiàn) 主要存在以下幾個問題：一是，開關(guān)功率晶體管的負(fù)載一般是儲能電感。在開關(guān)管導(dǎo)通的時候，變壓器會出現(xiàn)較大電流造成尖峰噪聲峰值。這個峰值噪聲就是尖脈沖，輕者造成電流干擾，重者有可能會導(dǎo)致開關(guān)管被擊穿；二是，輸入電流的畸變會產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源輸入端一般會采用橋式整流電容濾濾電路（見圖1） ,這種電路濾波電容的充電時間短, 從而形成幅度高而寬度窄的脈沖電流（見圖2）。

通過傅氏變換可以得到：豐富的諧波成分包含在畸變的電流中。而且，數(shù)據(jù)表明輻射干擾和傳導(dǎo)干擾都是由于高次諧波的輸入而產(chǎn)生的，是豐富的諧波畸變；3) 整流二極管輸出會產(chǎn)生干擾。因?yàn)?，反向電流在恢?fù)到零點(diǎn)時該段時間與結(jié)電容相關(guān)，其決定于輸出整流二極管截止時。如果將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二極管，這種情況下，分布參數(shù)包括二極管都會在變壓器漏感影響下產(chǎn)生強(qiáng)高頻干擾。

2 干擾抑制方法

EMI 是一種有效抑制尖脈沖干擾的濾波技術(shù), 被廣泛用于濾除多種原因產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。

圖3所示為一種由電感和電容組成的EM I 濾波裝置。該裝置接入開關(guān)電源。從該圖中可以看到： 高頻電路電容（C1、C5）用以濾除掉兩輸入電源線間的差模干擾C2與L1、C4等組成的共模干擾濾波環(huán)節(jié),同時由于L 3、L 4 的初次級匝數(shù)相等、交流電流、極性相反在磁芯中產(chǎn)生的磁通相反，我們可以將其用于濾除電源線與地之間非對稱的共模干擾，從而實(shí)現(xiàn)有效抑制共模干擾。

3 整改實(shí)例分析

下面通過對某車載供電單元的整改實(shí)例加以分析（圖4）為整改前測試結(jié)果，超標(biāo)頻段30kHz至60kHz和250kHz至400kHz。從測試結(jié)果可以看出，由于開關(guān)電源的總電流諧波含量比較高，導(dǎo)致諧波電流分別以傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的方式污染了電網(wǎng), 造成相關(guān)儀器無法正常運(yùn)行，（圖5）為在DC28V濾波器入線端并連2.2μF電容一只。

橋式整流電容濾波電路有其自身特點(diǎn)的輸入屬性，其中，降低諧波含量是關(guān)鍵 ，同時也能提高線路功率。因?yàn)?，電流諧波含量過高會導(dǎo)致功率因數(shù)發(fā)生重大變化，同時開關(guān)電源采用的該濾波電路也會導(dǎo)致電流諧波含量過高。在原濾波器基礎(chǔ)上電源新輸入端新增150μH共模電感一只、并連2.2μF電容一只，將其諧波含量降低。（圖6）為整改后測試結(jié)果。將有效的濾波手段和方法用于對開關(guān)電源的控制, 以期達(dá)到電磁兼容性要求。

4 結(jié)論

由于開關(guān)電源導(dǎo)致諧波電流含量過高從而以以傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等方式造成電網(wǎng)被污染、導(dǎo)致一些相關(guān)電器設(shè)備無法正常運(yùn)行。因此，在平時實(shí)驗(yàn)測試中只有正確選擇濾波器元器件的參數(shù), 才能有效地抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，保障電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳良斌.電磁兼容性設(shè)計[M].國防工業(yè)出版社，2004(07)．

[2]于曉平.王新春.濟(jì)南教育學(xué)院學(xué)報[J].開關(guān)電源電磁干擾的原因分析及抑制措施.

[3]關(guān)永晉.開關(guān)電源的電磁干擾及其濾波措施[Z].

[4]F.Z.Peng, "Application Issues and Characteristics of Active Power Filters",IEEE/IAS Magazine Sep./Oct. 1998.

[5]R.Petkov "Optimum Design of a High-Power,High-Frequency Transformer"IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.11,NO.1,JANUARY 1996.