開關(guān)電源 EMI 不同頻段干擾原因及抑制辦法

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開關(guān)電源因其高效、節(jié)能等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。然而，開關(guān)電源在工作過程中會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，影響自身及周邊電子設(shè)備的正常運行。EMI 干擾按頻段可分為不同類型，每種頻段的干擾有著獨特的產(chǎn)生原因，也需要針對性的抑制辦法。

低頻段(150kHz - 500kHz)干擾原因及抑制

干擾原因

開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷：在低頻段，開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷是主要干擾源。當開關(guān)管導(dǎo)通時，電流迅速上升，產(chǎn)生較大的 di/dt(電流變化率)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，會在周圍空間產(chǎn)生較強的磁場，進而引發(fā)電磁干擾。開關(guān)管關(guān)斷時，電壓迅速變化產(chǎn)生較大的 dv/dt(電壓變化率)，同樣會產(chǎn)生干擾。在反激式開關(guān)電源中，開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器初級繞組電流快速上升，產(chǎn)生的磁場干擾會影響周邊電路。

變壓器的磁滯與渦流：低頻段下，變壓器的磁滯現(xiàn)象和繞組中的渦流也會導(dǎo)致干擾。變壓器鐵芯在交變磁場作用下，磁滯損耗會產(chǎn)生熱量，同時也會輻射出低頻電磁干擾。繞組中的渦流會使導(dǎo)線發(fā)熱，并且產(chǎn)生額外的磁場，與開關(guān)管產(chǎn)生的干擾相互疊加，加劇低頻段的 EMI 問題。

抑制辦法

優(yōu)化開關(guān)管驅(qū)動電路：通過調(diào)整開關(guān)管的驅(qū)動電阻，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，減小 di/dt 和 dv/dt。采用軟開關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)，使開關(guān)管在電壓或電流為零的時刻導(dǎo)通或關(guān)斷，降低開關(guān)過程中的能量損耗和電磁干擾。在一些高端開關(guān)電源中，采用 ZVS 技術(shù)，有效降低了低頻段的 EMI 干擾，提高了電源效率。

變壓器優(yōu)化設(shè)計：選擇高磁導(dǎo)率、低磁滯損耗的鐵芯材料，如鐵氧體磁芯，可減少磁滯損耗帶來的干擾。優(yōu)化變壓器的繞組設(shè)計，采用多股絞合線或利茲線，降低渦流損耗。合理設(shè)計變壓器的匝數(shù)比和繞組布局，減少漏感，降低磁場輻射。對變壓器進行良好的屏蔽，使用金屬屏蔽罩將變壓器包裹，屏蔽罩接地，可有效抑制變壓器產(chǎn)生的低頻磁場干擾。

中頻段(500kHz - 5MHz)干擾原因及抑制

干擾原因

寄生參數(shù)影響：在中頻段，開關(guān)電源中的寄生電容和寄生電感對 EMI 干擾影響顯著。開關(guān)管與散熱片之間、變壓器繞組之間以及電路板上的走線之間都存在寄生電容。當開關(guān)管工作時，寄生電容會產(chǎn)生充放電電流，形成高頻干擾信號。寄生電感則會在電流變化時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進一步加劇干擾。在一些多層電路板設(shè)計中，不同層之間的走線寄生電容可能導(dǎo)致中頻段的串擾問題。

二極管的反向恢復(fù)：開關(guān)電源中的整流二極管在反向恢復(fù)過程中，會產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流，其電流變化率大，會在中頻段產(chǎn)生電磁干擾?？焖倩謴?fù)二極管雖然反向恢復(fù)時間較短，但在高頻應(yīng)用中，其反向恢復(fù)特性仍會對 EMI 產(chǎn)生影響。

抑制辦法

寄生參數(shù)優(yōu)化：通過優(yōu)化電路板布局，減少寄生電容和寄生電感。增大開關(guān)管與散熱片之間的距離，減小寄生電容。采用合理的布線方式，如縮短走線長度、避免平行走線等，降低寄生電感。在關(guān)鍵節(jié)點添加去耦電容，吸收寄生電容產(chǎn)生的高頻干擾信號。在電路板的電源層和地層之間，合理分布去耦電容，可有效抑制中頻段的干擾。

二極管選型與緩沖電路：選擇反向恢復(fù)特性好的二極管，如肖特基二極管，其反向恢復(fù)時間極短，可減少反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的干擾。在二極管兩端并聯(lián)緩沖電路，如 RC 吸收電路，利用電容的儲能特性和電阻的耗能特性，抑制二極管反向恢復(fù)電流的突變，降低中頻段的 EMI 干擾。在一些功率較小的開關(guān)電源中，采用肖特基二極管和 RC 吸收電路，有效改善了中頻段的電磁干擾問題。

高頻段(5MHz - 30MHz 及以上)干擾原因及抑制

干擾原因

開關(guān)電源的高頻諧波：開關(guān)電源工作時，其開關(guān)動作會產(chǎn)生豐富的高頻諧波，這些諧波頻率可達幾十 MHz 甚至更高。高頻諧波通過電源線、空間輻射等途徑傳播，對周邊電子設(shè)備造成干擾。在一些高頻開關(guān)電源中，開關(guān)頻率高達幾十 MHz，其產(chǎn)生的高頻諧波會影響附近的無線通信設(shè)備。

PCB 板的輻射：在高頻段，印刷電路板(PCB)本身成為一個輻射源。PCB 上的走線、過孔等在高頻信號作用下，會像天線一樣向外輻射電磁波。尤其是當走線長度接近高頻信號波長的四分之一時，會形成諧振，加劇輻射強度。在一些緊湊型開關(guān)電源中，由于 PCB 布局緊湊，走線較短，更容易在高頻段產(chǎn)生輻射干擾。

抑制辦法

濾波電路設(shè)計：在電源輸入和輸出端添加合適的濾波器，如 π 型濾波器、LC 濾波器等，可有效濾除高頻諧波。濾波器的電感和電容參數(shù)要根據(jù)開關(guān)電源的工作頻率和干擾頻率進行合理選擇。在一些對 EMI 要求嚴格的應(yīng)用中，采用多級濾波電路，進一步提高濾波效果，降低高頻段的干擾。

PCB 布局優(yōu)化與屏蔽：優(yōu)化 PCB 布局，減少高頻走線的長度，避免出現(xiàn)過長的平行走線和直角走線。合理規(guī)劃電源層和地層，增加地層的面積，提高電路板的屏蔽效果。對整個開關(guān)電源模塊進行金屬屏蔽，屏蔽罩良好接地，防止高頻輻射干擾向外傳播。在一些通信設(shè)備的開關(guān)電源設(shè)計中，通過優(yōu)化 PCB 布局和添加屏蔽措施，有效抑制了高頻段的輻射干擾，保障了通信設(shè)備的正常運行。

開關(guān)電源在不同頻段產(chǎn)生的 EMI 干擾有著不同的原因，需要針對性地采取抑制辦法。通過優(yōu)化電路設(shè)計、合理選擇元件、改進 PCB 布局以及采用有效的屏蔽和濾波措施，能夠有效降低開關(guān)電源的 EMI 干擾，提高電子設(shè)備的電磁兼容性，確保其穩(wěn)定可靠運行。在未來的開關(guān)電源設(shè)計中，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對 EMI 抑制技術(shù)的研究也將不斷深入，以滿足日益嚴格的電磁環(huán)境要求。