開關電源的EMI抑制措施

電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項都可以減少電磁干擾問題。開關電源工作在高電壓大電流的高頻開關狀態(tài)時，其引起的電磁兼容性問題是比較復雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

2.1    抑制開關電源中各類電磁干擾源

    為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關電源需要使用功率因數校正（PFC）技術。PFC技術使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時也提高了開關電源的功率因數。

    軟開關技術是減小開關器件損耗和改善開關器件電磁兼容特性的重要方法。開關器件開通和關斷時會產生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關管產生電磁干擾及開關損耗的主要原因。使用軟開關技術使開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關管或高頻變壓器初級線圈兩端的尖峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。

    輸出整流二極管的反向恢復問題可以通過在輸出整流管上串聯一個飽和電感來抑制，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進入飽和。實際使用中，在輸出整流二極管導通時，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當于一段導線；當二極管關斷反向恢復時，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復電流的大幅度變化，從而抑制了它對外部的干擾。

圖5    飽和電感在減小二極管反向恢復電流中的應用

2.2    切斷電磁干擾傳輸途徑——共模、差模電源線濾波器設計

    電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源EMI濾波器基本電路如圖6所示。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。在圖6中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。

    共模電感L1是在同一個磁環(huán)上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。L1的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關，具體關系參見表1所列。

表1    電感量范圍與額定電流的關系[4]

    實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構成了一個∏型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

    除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計算電容CY漏電流的公式是

    ID=2πfCYVcY

式中：ID為漏電流；

      f為電網頻率。

    一般裝設在可移動設備上的濾波器，其交流漏電流應<1mA；若為裝設在固定位置且接地的設備上的電源濾波器，其交流漏電流應<3.5mA，醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2～33nF。電容類型一般為瓷片電容，使用中應注意在高頻工作時電容器CY與引線電感的諧振效應。

    差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖6中電容CX1），只要電容選擇適當，就能對高頻干擾起到抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，并能承受可預料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

圖6    開關電源EMI濾波器

2.3    使用屏蔽降低電磁敏感設備的敏感性

    抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽。可以用導電性能良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。為了防止變壓器的磁場泄露，使變壓器初次級耦合良好，可以利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E型的小很多。開關電源的連接線，電源線都應該使用具有屏蔽層的導線，盡量防止外部干擾耦合到電路中。或者使用磁珠、磁環(huán)等EMC元件，濾除電源及信號線的高頻干擾，但是，要注意信號頻率不能受到EMC元件的干擾，也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個開關電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關電源既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會對外部電子設備產生干擾。