開關(guān)電源電磁干擾的成因及對(duì)策

崔 曉 曾 光 熊 宇 李進(jìn)東

（1.廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東 廣州 510000）

通常情況下，可能會(huì)干擾開關(guān)電源正常使用運(yùn)行的安全隱患因素可以分為外界因素以及電源本體因素，以上2 種關(guān)鍵因素都會(huì)威脅到開關(guān)電源的正常操作使用，降低開關(guān)電源的安全性能。為了杜絕電磁干擾帶來的影響，核心技術(shù)要點(diǎn)就是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并分析開關(guān)電源產(chǎn)生干擾的原因，據(jù)此形成完善合理的電磁干擾應(yīng)對(duì)操作方案。

1 開關(guān)電源中的電磁干擾問題

電磁干擾現(xiàn)象普遍存在于各種型號(hào)的開關(guān)電源中，開關(guān)電源如果處于電磁干擾產(chǎn)生頻率較高的狀態(tài)，那么開關(guān)電源的整體安全性能將會(huì)受到明顯不利影響，甚至還會(huì)損壞開關(guān)電源，導(dǎo)致供電系統(tǒng)中斷等故障。電磁脈沖干擾的關(guān)鍵成因就是電磁脈沖被雷電感應(yīng)激發(fā)，導(dǎo)致形成強(qiáng)度較高的空間磁場(chǎng)。在突發(fā)性的雷電擊打影響下，系統(tǒng)感應(yīng)電壓就會(huì)在很短時(shí)間里迅速增強(qiáng)，并且附著于金屬導(dǎo)體。

對(duì)于開關(guān)電源來講，常見的電源電磁干擾通常來自于外界的空間環(huán)境因素，或者產(chǎn)生于內(nèi)部系統(tǒng)中的開關(guān)元器件。例如，整流器的重要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成部分可能會(huì)發(fā)出頻率較高的電壓干擾信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致了高次諧波電流帶來程度較為明顯的開關(guān)電源干擾。此外，功率變換電路也可能會(huì)直接造成系統(tǒng)中的諧波，明顯增加射頻干擾的頻率幅度。電源線系統(tǒng)中經(jīng)過的電流可能會(huì)表現(xiàn)為畸變現(xiàn)象，將會(huì)造成系統(tǒng)中的諧波分量頻率與幅度在短時(shí)間里發(fā)生明顯的改變。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系由于受到電磁轉(zhuǎn)換的強(qiáng)烈作用，電網(wǎng)體系內(nèi)的不間斷電源、直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備、晶閘管設(shè)備、變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及節(jié)能裝置設(shè)備都可能出現(xiàn)電磁干擾情況。電網(wǎng)體系中的電磁干擾如果強(qiáng)度較高，那么還會(huì)造成電網(wǎng)浪涌沖擊、系統(tǒng)電壓頻繁波動(dòng)、諧波電磁干擾或者其他不良后果。以上現(xiàn)象屬于電磁干擾現(xiàn)象，電頻繁的電磁干擾會(huì)明顯威脅到電網(wǎng)運(yùn)行安全。

2 分析開關(guān)電源中的電磁干擾問題產(chǎn)生根源

2.1 系統(tǒng)外部因素

第一類為電磁脈沖干擾。EMP 也可稱為電磁脈沖干擾，該類型電磁干擾成因廣泛存在[1]。如果開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施比較容易接收強(qiáng)度較高電壓，那么將會(huì)降低開關(guān)電源安全使用性能，誘發(fā)各種類型的電氣安全使用與操作故障[2]。

第二類為電磁轉(zhuǎn)換干擾。電磁轉(zhuǎn)換干擾的關(guān)鍵形成來源就是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備。在現(xiàn)階段的電網(wǎng)體系組成結(jié)構(gòu)中，通常都會(huì)存在種類較為復(fù)雜的電網(wǎng)元件設(shè)備。從目前的狀況來看，共模干擾與差模干擾都屬于較為典型的外部性電磁干擾來源。電流在系統(tǒng)內(nèi)部快速流動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)接地線與系統(tǒng)零線火線就會(huì)頻繁出現(xiàn)噪聲。此外，系統(tǒng)零線以及系統(tǒng)火線也會(huì)由于電流存在進(jìn)而導(dǎo)致噪聲。

第三類為靜電放電干擾。ESD也可稱為靜電放電干擾，該電磁干擾的誘發(fā)因素就是帶有放電性的開關(guān)電源。開關(guān)電源在頻繁接收靜電的情形下，開關(guān)電源范圍內(nèi)的MOS部件就會(huì)遭到明顯威脅，進(jìn)而造成了靜電擊穿元器件的后果。并且，局部性的開關(guān)系統(tǒng)持續(xù)散熱現(xiàn)象也會(huì)減損雙極晶體管的安全使用壽命，損壞系統(tǒng)中的數(shù)字電路。系統(tǒng)操作人員在錯(cuò)誤實(shí)施開關(guān)操作時(shí)，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)使用期限就會(huì)被顯著縮短[3]。電源干擾的常見種類包含頻率偏移、諧波失真、雷擊或者其他自然因素導(dǎo)致系統(tǒng)瞬變、浪涌沖擊或者失電現(xiàn)象等。開關(guān)電源的外部干擾可能會(huì)表現(xiàn)為差?；蛘吖材? 種形式，某些干擾波持續(xù)較短的時(shí)間，但是另一些干擾波卻會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)部因素

從開關(guān)電源的系統(tǒng)內(nèi)部體系組成結(jié)構(gòu)來講，電源系統(tǒng)中的逆變器、整流器與變壓器都有可能導(dǎo)致電磁干擾。作為非線性的開關(guān)電源內(nèi)部組成元件，系統(tǒng)整流器有可能會(huì)包括高次諧波或者正弦半波，進(jìn)而導(dǎo)致了頻率較高的磁場(chǎng)浪涌現(xiàn)象產(chǎn)生，或者導(dǎo)致整個(gè)電場(chǎng)受到強(qiáng)度較高的諧波干擾與侵害。電磁干擾如果是由系統(tǒng)整流器發(fā)出，那么該類型的電磁干擾普遍表現(xiàn)出脈動(dòng)性、持續(xù)性與瞬時(shí)變化等特性[4]。在很多情況下，包括銅線圈與鐵氧體磁芯的變壓器裝置設(shè)備也會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)電磁干擾，同時(shí)還會(huì)伴有熱噪聲的現(xiàn)象。

系統(tǒng)逆變器在遇到系統(tǒng)內(nèi)部諧波明顯增強(qiáng)導(dǎo)致的影響時(shí)，會(huì)頻繁發(fā)生電磁干擾。逆變器開關(guān)通常比較容易形成頻率較高的浪涌噪聲，根源主要在于二極管以及系統(tǒng)分布電容的電荷存儲(chǔ)量產(chǎn)生了改變。例如對(duì)高頻的1MHz 開關(guān)電源系統(tǒng)來講，系統(tǒng)電磁干擾將會(huì)由于諧波增加而頻繁發(fā)生，因此有必要將傳統(tǒng)開關(guān)元件替換為諧振開關(guān)[5]。

對(duì)開關(guān)電源來講，全面消除電磁干擾的關(guān)鍵思路在于濾除共模干擾以及差模干擾信號(hào)，因此需要借助于電容器以及儲(chǔ)能電感（分別用符號(hào)C 與L 表示）來共同組成系統(tǒng)濾波電路。圖1 為輸入輸出濾波器的開關(guān)電源電路組成結(jié)構(gòu)圖，其中的電感線圈應(yīng)當(dāng)包括可以抑制自諧振頻率的分布電容， RC 緩沖器應(yīng)當(dāng)并聯(lián)安裝于二極管的位置。在合理優(yōu)化開關(guān)電源濾波設(shè)計(jì)模式過程中，主要運(yùn)用L1、L2、C1來表示串模噪聲的濾除程度，并且運(yùn)用L3、L4、C2與C3來代表共模噪聲的濾除程度。

圖1 輸入輸出濾波器的開關(guān)電源電路組成結(jié)構(gòu)

3 消除開關(guān)電源電磁干擾的重要作用

在目前的狀況下，各種類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)、外圍性的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)備、家用電器都必須配備開關(guān)電源裝置。處于高頻運(yùn)行中的系統(tǒng)開關(guān)電源將會(huì)流經(jīng)高強(qiáng)度的系統(tǒng)電流，同時(shí)還需要承受波動(dòng)變化較為頻繁的系統(tǒng)電壓。開關(guān)電源系統(tǒng)由于受到以上多個(gè)層面因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。電磁干擾信號(hào)本身具有幅度較大以及頻率范圍較廣的特性，客觀上將會(huì)明顯影響電氣元件的安全使用，也會(huì)污染電網(wǎng)環(huán)境[6]。

電磁干擾因素本身具備普遍存在的特性，電磁干擾波不易被察覺，但是多種媒介載體都可能發(fā)出特定頻率與強(qiáng)度的電磁波。EMC 標(biāo)準(zhǔn)是通用性的設(shè)計(jì)開關(guān)電源檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)，該技術(shù)指標(biāo)必須要得到開關(guān)設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可。只有從根源上成功抑制電磁干擾，系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境空間才能杜絕電磁污染，有利于開關(guān)電源的安全使用。從以上角度來講，準(zhǔn)確地判斷產(chǎn)生電磁干擾的根源，旨在全面消除干擾波危及開關(guān)電源安全的因素，延長(zhǎng)開關(guān)電源的正常使用期限。

例如對(duì)反激式的開關(guān)電源而言，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建LISN 的導(dǎo)電回路，進(jìn)而精確測(cè)量線路電阻值。CW1～CW6 的變壓器內(nèi)部寄生電容可能會(huì)產(chǎn)生騷擾電流，運(yùn)行中的開關(guān)管（運(yùn)用字母Q 表示）可能會(huì)形成騷擾電流（運(yùn)用字母i表示），進(jìn)而得到公式。

式中：i為騷擾電流；CW1、CW2分別為2 個(gè)變壓器的內(nèi)部寄生電容；U1為變壓器的系統(tǒng)電壓變化；T為時(shí)間參數(shù)。作為變壓器的CW1與CW2都會(huì)產(chǎn)生寄生電容，并且開關(guān)管也會(huì)形成漏源電壓。

表1 為經(jīng)過技術(shù)整改后的開關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

表1 開關(guān)電源的電磁干擾測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 開關(guān)電源電磁干擾的解決措施

4.1 增設(shè)系統(tǒng)濾波器

靜電放電因素、電磁轉(zhuǎn)換因素都可以使用系統(tǒng)濾波器來進(jìn)行消除?，F(xiàn)階段的系統(tǒng)濾波器常見種類包括源濾波器以及無源濾波器。濾波器的作用是濾除外界的干擾波，濾波器可以起到共模濾波以及差模濾波的作用，使系統(tǒng)濾波器在最大限度內(nèi)達(dá)到濾除系統(tǒng)諧波污染的目標(biāo)[7]。來自于開關(guān)電源內(nèi)部或者電源系統(tǒng)外部的2 種類型電磁干擾都必須得到重視，如果沒有及時(shí)判斷與處理電磁干擾波，那么更多的電磁波將會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行空間，從而增加電網(wǎng)污染概率，導(dǎo)致運(yùn)行事故。

4.1.1 無源濾波器

無源濾波器目前已經(jīng)得到普遍的推廣使用，無源濾波器具有購買成本較低以及元件數(shù)目較少的優(yōu)勢(shì)特征，確保將扼流圈加入電源系統(tǒng)內(nèi)部。但是無源濾波器由于受到扼流圈的影響，那么客觀上將會(huì)增加濾波器的裝置體積。近些年以來，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)可以靈活選擇印制電路板類型或者信號(hào)線類型的電源濾波器，從而取代了系統(tǒng)濾波器的傳統(tǒng)規(guī)格型號(hào)。

4.1.2 有源濾波器

有源濾波器的顯著技術(shù)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在濾波電容得到合理控制，旨在全面優(yōu)化與改善現(xiàn)有的系統(tǒng)干擾波濾除操作效果。在多數(shù)情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將有源濾波器加入適當(dāng)區(qū)域范圍內(nèi)，或者借助于發(fā)射極的回路控制作用來完成系統(tǒng)濾波操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過科學(xué)的方法優(yōu)化改進(jìn)原有濾波器，客觀上將會(huì)達(dá)到明顯縮小紋波的效果，有益于合理控制與縮減電容體積。但是從現(xiàn)狀來看，功率與電壓較高的電源系統(tǒng)并不適合選擇以上有源濾波器。

4.2 布置電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)

電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)在于消除外界電磁干擾，尤其是對(duì)電磁脈沖干擾可以進(jìn)行全面的屏蔽操作處理。因此，布設(shè)電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)就是保證網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的均勻性，避免遺漏外界電磁干擾波。如果要在根本上抑制擴(kuò)散性的系統(tǒng)電磁波，就要合理布置整體的屏蔽層。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)正確搭配選擇具備優(yōu)良導(dǎo)電特性的屏蔽層組成材料，妥善處理輸出與輸入的系統(tǒng)電線部位，保證接縫部位的屏蔽層堅(jiān)固安全性能達(dá)標(biāo)。電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了非常關(guān)鍵的干擾波屏蔽網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)電源系統(tǒng)由于具備了電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)層，因此能夠明顯消除與降低諧波干擾的侵害。在優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要全面關(guān)注于電磁波的屏蔽區(qū)域部位，旨在合理分配各個(gè)區(qū)域部位的電磁波，確保達(dá)到均衡分配電磁波強(qiáng)度的目標(biāo)。在目前的情況下，開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇電感器、變壓器或者功率器件用于布置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)層，同時(shí)還需要借助于鐵板與銅板來優(yōu)化系統(tǒng)屏蔽處理效果，確保實(shí)現(xiàn)了衰減電磁波的效應(yīng)[8]。

系統(tǒng)電磁波不僅存在明顯干擾性，而且還會(huì)表現(xiàn)為向外蔓延與擴(kuò)散的趨向。為了在根源上控制與消除電磁泄漏的安全隱患風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)人員必須要著眼于系統(tǒng)散熱性的合理優(yōu)化。因此首先將220V 電源輸入電壓誤差控制在 10%以內(nèi)，運(yùn)用兩路輸出電壓的方式，確保達(dá)到5V/2A 以及24V/0.5A 的輸出電壓最小限度標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)總功率確定在 20W 左右。

4.3 優(yōu)先選擇性能較好的諧振開關(guān)元件

諧振開關(guān)具有使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要功能，因此需要得到企業(yè)技術(shù)人員重視。在選擇諧振開關(guān)的型號(hào)種類時(shí)，關(guān)鍵在于將開關(guān)損耗比例限定在最小范圍內(nèi)。該文還介紹了干擾對(duì)抗群脈沖的FTS 專用浪涌吸收器，該類型的浪涌吸收設(shè)備元件具有優(yōu)良的浪涌吸收強(qiáng)度、良好的系統(tǒng)耐壓程度以及較快的運(yùn)行響應(yīng)速度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要密切監(jiān)測(cè)分布電容以及分布電感導(dǎo)致的系統(tǒng)諧波振蕩現(xiàn)象，切實(shí)保證諧振開關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]。為了彌補(bǔ)開關(guān)損耗過高的缺陷，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與控制開關(guān)損耗比例。在必要時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將光電隔離器布置在系統(tǒng)控制電路以及系統(tǒng)主電路的連接部位，進(jìn)而確保達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)控制效果，抑制逐漸衰減的電磁波。具有吸收雷擊浪涌功能的LSA 吸收器要將系統(tǒng)響應(yīng)速度控制在納秒級(jí)別，吸收浪涌電流最大強(qiáng)度達(dá)到 3000A 以上。光電隔離器具有防止諧波紊亂現(xiàn)象的重要功能。電源模塊中的公共接地點(diǎn)可以設(shè)計(jì)為1 腳，供電端設(shè)計(jì)為2 腳，電源供電覆蓋范圍控制為 5 腳。系統(tǒng)電路電壓在超出15V 時(shí)，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確識(shí)別振蕩開關(guān)實(shí)時(shí)的變壓器信號(hào)，確保開關(guān)電壓限定在100kHz 以內(nèi)。如果2 腳電壓沒有達(dá)到10V 的標(biāo)準(zhǔn)，則需要關(guān)閉芯片欠壓。

在抑制反激式的系統(tǒng)開關(guān)電源干擾過程中，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建EMI 模型，經(jīng)由對(duì)比測(cè)試來判斷確認(rèn)開關(guān)電源的外部干擾強(qiáng)度。在變壓裝置初級(jí)以及次級(jí)中間增加電容，能夠準(zhǔn)確判斷回流路徑，如圖2 所示。因此如果能夠整體減少系統(tǒng)耦合電容容量，那么將會(huì)達(dá)到抑制騷擾電流的效果。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)人員須將系統(tǒng)功率因數(shù)控制在0.9 以上，降低諧波畸變的概率。如果THD 值小于10%，則系統(tǒng)諧波畸變范圍頻率較低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該使校正處理后的系統(tǒng)功率因數(shù)保持在270V～330V，充分確保了穩(wěn)定性較高的系統(tǒng)輸出電壓數(shù)值。

圖2 變壓器初級(jí)與次級(jí)之間增加電容得到的波形圖

4.4 設(shè)置保護(hù)性接地系統(tǒng)

保護(hù)接地技術(shù)的本質(zhì)在于連接各種接地體與金屬外殼部件，徹底消除人員觸電造成傷害的安全隱患。廣播電視傳輸系統(tǒng)內(nèi)的各種電氣設(shè)備都需要配備電氣金屬外殼，但是電氣金屬外殼在長(zhǎng)期磨損與腐蝕的情況下容易損壞，性能老化的電氣絕緣外殼可能會(huì)出現(xiàn)電流泄漏現(xiàn)象。保護(hù)接地技術(shù)重點(diǎn)針對(duì)存在老化與腐蝕安全風(fēng)險(xiǎn)的金屬外殼部位，通過設(shè)置保護(hù)性的接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來預(yù)防事故發(fā)生。

例如要準(zhǔn)確計(jì)算封閉母線系統(tǒng)中的電磁干擾強(qiáng)度，首先針對(duì)母線中的剩余電流，應(yīng)當(dāng)模擬短路狀態(tài)下的強(qiáng)度，然后計(jì)算出母線外殼的磁場(chǎng)最大強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。在防電磁干擾的現(xiàn)行技術(shù)指標(biāo)規(guī)定下，應(yīng)當(dāng)計(jì)算出最小的母線磁場(chǎng)允許間隔距離。進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗(yàn)操作，最終可以得到母線分布的內(nèi)在規(guī)律，確保母線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的長(zhǎng)期平穩(wěn)與安全運(yùn)行。

表2 為電磁干擾的常見產(chǎn)生根源以及解決控制對(duì)策。

表2 電磁干擾的常見產(chǎn)生根源以及解決技術(shù)手段

5 結(jié)語

經(jīng)過分析，電磁干擾問題是影響開關(guān)電源正常使用的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。電磁干擾現(xiàn)象如果沒有得到徹底消除，那么可能會(huì)縮短電源的正常使用壽命，甚至還會(huì)造成開關(guān)電源失靈等不良后果。在處理電磁干擾的過程中，技術(shù)人員目前可以選擇布置電磁屏蔽層、增設(shè)系統(tǒng)諧振開關(guān)、布置有源濾波器等專業(yè)技術(shù)手段，旨在全面控制電磁干擾影響，保證開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行。