開關(guān)電源電磁干擾及其抑制技術(shù)研究

劉玉成

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

在電子信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，開關(guān)電源由于具有較高的控制效率和更好的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。實(shí)際使用開關(guān)電源時(shí)，會頻繁出現(xiàn)電磁干擾問題，影響了開關(guān)電源的使用體驗(yàn)。需相關(guān)學(xué)者專注相關(guān)抑制技術(shù)的研究，以解決開關(guān)電源電磁干擾問題，推動開關(guān)電源的可靠、穩(wěn)定應(yīng)用。

1 分析電磁干擾存在的危害

如果電磁干擾在電源內(nèi)部形成，并可直接輻射到其他線路，則必然導(dǎo)致電網(wǎng)和其他電氣設(shè)施無法正常工作，影響運(yùn)行質(zhì)量。同時(shí)，電磁輻射不僅會破壞周邊環(huán)境，危害動植物和人類的健康，而且容易造成動植物基因突變，從而引發(fā)不良健康結(jié)果的出現(xiàn)，甚至危及生命。此外，電磁輻射可極大地影響人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能，從而造成人體出現(xiàn)植物神經(jīng)或者交感神經(jīng)失調(diào)等癥狀。電磁輻射也可直接影響大功率電子設(shè)施的正常使用，尤其是高頻設(shè)備。

2 開關(guān)電源電磁干擾形成原因

2.1 高頻變壓器產(chǎn)生的電磁干擾

通常變壓器初級線圈、開關(guān)管及濾波電容是高頻開關(guān)電源的主要組成部分。高頻開關(guān)電源工作期間，易出現(xiàn)高頻開關(guān)電流環(huán)路，并在環(huán)路中出現(xiàn)一定量級的空間輻射。如果電容量不足或者電容濾波性能存在瑕疵，則高頻電流會在電容高頻阻抗的作用下傳輸至交流電源，從而引發(fā)傳導(dǎo)電磁干擾現(xiàn)象，不利于開關(guān)電源的正常工作[1]。

2.2 開關(guān)管形成的電磁干擾

開關(guān)管是開關(guān)電源中最關(guān)鍵部件，電磁干擾易在開關(guān)管中形成。開關(guān)電源主要是通過開關(guān)管的整流作用來進(jìn)一步提高開關(guān)電力的頻率，隨后在整流諧波的作用下實(shí)現(xiàn)電路中電路進(jìn)程的處理，并確保直流穩(wěn)定電壓的正常輸出。通常傳統(tǒng)電壓開關(guān)存在較短的啟動時(shí)間，通過小電荷的功率管實(shí)現(xiàn)小電荷的存儲，但是會在開關(guān)管動作期間形成較強(qiáng)的諧波干擾[2]。此外，斷開、連接及切換高頻電壓期間，會形成高頻電流，進(jìn)而導(dǎo)致電流干擾，使開關(guān)電源無法可靠工作。

2.3 整流電路形成的電磁干擾

整流電路是開關(guān)電源電路中的關(guān)鍵組成部分。接通整流電路后，其中的二極管會正向?qū)?，二極管兩端的電壓會顯著上升，二極管的PN結(jié)電荷會大量累積，會在一定程度上增加正向電流的數(shù)值。同時(shí)，隨著變壓器次級線圈開關(guān)管高頻率的轉(zhuǎn)換，會在極短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致二極管的PN結(jié)出現(xiàn)高頻率變化，引發(fā)電路電流反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致高頻電流出現(xiàn)較大程度的衰減和振蕩，進(jìn)而造成電磁干擾現(xiàn)象，不利于開關(guān)電源工作穩(wěn)定性的提升。

2.4 交流輸入回路形成的干擾

當(dāng)無工頻變壓器開關(guān)電源的輸入端整流管處于反向恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，會形成高頻衰減振蕩，進(jìn)而造成干擾問題。此外，通常開關(guān)電源工作期間，諧波干擾和尖峰干擾能量會通過輸入線路和輸出線路逐漸向外擴(kuò)散，由此形成的干擾類型被稱為傳導(dǎo)干擾。

3 開關(guān)電源的電磁干擾抑制技術(shù)的研究

3.1 屏蔽技術(shù)

電磁屏蔽技術(shù)作為重要的物理屏蔽手段，可在一定程度上抑制電磁干擾的出現(xiàn)。電磁屏蔽的應(yīng)用原理是利用屏蔽體控制出現(xiàn)的電磁能量，以降低電磁能量。電磁屏蔽技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用需注意以下內(nèi)容。（1）屏蔽產(chǎn)生電磁干擾的元器件；（2）屏蔽遭受電磁干擾的元器件。通常變壓器、電感器及功率器件等是開關(guān)電源中常遭受電磁干擾的元器件，需對其予以相應(yīng)的電磁屏蔽，以保證元器件的正常工作。例如，將受電磁干擾的元器件用鐵板或鋼板等予以圍繞，以減少電磁干擾的概率[3]。

3.2 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

一般電磁干擾能量的強(qiáng)弱與其頻率呈正比關(guān)系，如果降低頻率，則電磁波能量呈下降狀態(tài)。擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)可有效地將諧波能量擴(kuò)散至更寬的頻率范圍，使能量在每個(gè)頻率帶均顯著減小，以降低電磁干擾強(qiáng)度。此外，為提升抑制電磁干擾的效果，建議將擴(kuò)頻時(shí)鐘信號加入到開關(guān)電源，并把電磁信號從開關(guān)電路中輸出。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)可顯著抑制電磁干擾，可靠性強(qiáng)，并且無需添加其他濾波設(shè)備和屏蔽設(shè)備。

3.3 濾波抑制技術(shù)

為有效抑制高頻開關(guān)電源中的電磁干擾現(xiàn)象，濾波抑制技術(shù)被廣泛應(yīng)用。選擇濾波器時(shí)，需注意以下幾方面。（1）準(zhǔn)確了解工作頻率和抑制頻率，若兩者相差不大，則為準(zhǔn)確區(qū)分兩種頻率，濾波器需使用頻率特性較大的形式。（2）需確保濾波器可在高壓工況下穩(wěn)定工作。（3）盡量選擇額定電流較大的濾波器，以控制運(yùn)行中的工作溫度，保證濾波器電氣元件的穩(wěn)定工作條件。（4）濾波器要配備屏蔽結(jié)構(gòu)，并且本體要和屏蔽箱蓋存在較好的電接觸。（5）濾波器需具備可靠的工作性能，以免因?yàn)V波器故障而導(dǎo)致電磁干擾。

3.4 PCB抑制技術(shù)

PCB抑制技術(shù)的目的是最大限度地降低PCB電磁輻射，并解決PCB電路間存在的串聯(lián)干擾問題。PCB抑制技術(shù)包括布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)及接地設(shè)計(jì)。布局設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)存在相似流程。設(shè)計(jì)時(shí)，要確保PCB的規(guī)格符合項(xiàng)目要求，同時(shí)也要按照合理的長寬比來設(shè)計(jì)電路板的規(guī)格，以提升機(jī)械強(qiáng)度[4]。此外，考慮到特殊元器件的位置，需對元器件的布局予以合理設(shè)計(jì)

3.5 軟開關(guān)抑制技術(shù)

軟開關(guān)移植技術(shù)的應(yīng)用，可使開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)零電流的狀態(tài)。軟開關(guān)抑制技術(shù)是以硬開關(guān)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，但是與硬開關(guān)存在很大不同。硬開關(guān)在開關(guān)電路中的電流和電壓不是處于零狀態(tài)，而是存在疊加情況，并且電壓和電流的變化非常顯著，存在較明顯的脈沖，從而引發(fā)程度較大的開關(guān)噪聲。軟開關(guān)抑制技術(shù)中加入了電容和電感等諧振元件，一定程度上抑制了電壓、電流的疊加，有助于進(jìn)一步降低開關(guān)噪聲。此外，軟開關(guān)抑制技術(shù)中引入了較多現(xiàn)代化技術(shù)，如諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器及零轉(zhuǎn)換PWM變換器。其中，PWM變換器是基于諧振變換器對諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加，從而使電路中的電流和電壓處于零狀態(tài)。需注意，為提升軟開關(guān)抑制技術(shù)的使用效果，還需增添輔助電路。

3.6 接地技術(shù)抑制干擾

應(yīng)用接地抑制干擾技術(shù)時(shí)，需合理選擇接地點(diǎn)，以進(jìn)一步提升電磁干擾的抑制效果。如果接地存在問題，則勢必導(dǎo)致較大程度地干擾，從而使電子測量儀器設(shè)備難以有效工作。例如，對于電纜的屏蔽層和屏蔽罩，要合理選擇接地點(diǎn)，以提升抑制電磁干擾的能力。實(shí)際工作中，測量工作要使用一個(gè)或者多個(gè)儀器，需科學(xué)選擇接地點(diǎn)，以更好地抑制電磁干擾。

4 結(jié) 論

為有效抑制開關(guān)電源形成的電磁干擾，有必要加大電磁干擾抑制技術(shù)的研究，并加大電磁干擾抑制技術(shù)的研發(fā)投入。