開關(guān)式穩(wěn)壓電源產(chǎn)生EMI原因分析及抗干擾對(duì)策

開關(guān)式穩(wěn)壓電源的體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)壓范圍寬且安全可靠，在很多電子設(shè)備中被采用。但是，它像其他電路一樣同樣存在一些問題，如控制電路復(fù)雜，較高的工作頻率會(huì)對(duì)電視機(jī)、收音機(jī)等產(chǎn)生電磁輻射干擾使得收音機(jī)出現(xiàn)噪聲、電視機(jī)出現(xiàn)噪波點(diǎn)，甚至還會(huì)通過反饋干擾其他電子設(shè)備的正常工作。
1.超音頻振蕩的干擾問題
開關(guān)式穩(wěn)壓電源
的工作頻率多為20-100kHz，屬于超音頻范圍。作為該電源的開關(guān)調(diào)整器件晶體管或場效應(yīng)晶體管以相應(yīng)的頻率工作在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，振蕩波形近似于方波(還存在過沖)，根據(jù)傅里葉分析法可以進(jìn)行分解，即得到直流分量、基波和高次諧波，基波的能量最大，其次是三次、五次、七次……等等。
2.無線電廣播與電磁干擾的關(guān)系
眾所周知，無線電廣播是利用調(diào)制的方法來傳播信息的。音頻信號(hào)對(duì)高頻載被采用幅度調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)的方法，然后通過發(fā)射天線將調(diào)制波以電磁披的形式輻射出去，無線電接收設(shè)備是通過接收天線將它們接收下來s再經(jīng)選頻、變頻、放大和解調(diào)，還原成為音頻信號(hào)，最后通過低頻功放，由揚(yáng)聲器放出聲音。如果只有高頻載波而無音頻范圍的調(diào)制信號(hào)，那么它的能量再大，無線電接收設(shè)備也不會(huì)通過揚(yáng)聲器還原出任何聲音信息的。由此可以想到，僅僅是超音頻方披干擾的存在(超音頻振蕩的下限頻率為15k!氈，已在人耳的可聽范圍之外)，產(chǎn)生的高次諧波也不會(huì)成為我們通過收音機(jī)昕到音頻范圍的干擾信號(hào)，而實(shí)際上這種干擾有時(shí)卻是很嚴(yán)重的，可能在整個(gè)中波、短波范圍都出現(xiàn)強(qiáng)烈的噪聲，那么干擾來自哪里呢?開關(guān)式穩(wěn)壓電源存在著音頻范圍的干擾信號(hào)，并且調(diào)制了超音頻振蕩的各次諧波，以類似于無線電廣播的方式干擾收音機(jī)等設(shè)備，是干擾的重要來源。
3.直接整流電容濾波電路的特點(diǎn)
采用直接對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波方式的高頻開關(guān)式穩(wěn)壓電源，交流輸入電壓為220V、50Hz，一般采用橋式整流電路，然后經(jīng)電解電容器濾波，變成100Hz的鋸齒形脈動(dòng)直流電壓，提供給該開關(guān)式穩(wěn)壓電源。
由圖中可以看到，交流供電電源的作用是每Wms向電解電容器充電一次，以補(bǔ)充開關(guān)電路消耗的能量，從電壓的波形上來看為鋸齒形，但是從電流的波形上來看卻是脈沖形的，它們都是非正弦周期量，包含有豐富的諧波，并且絕大部分在音頻范圍(20-20000Hz)，其中l(wèi)00Hz的成分很可能是產(chǎn)生音頻干擾的重要來源。
同樣，根據(jù)傅里葉分析法，這個(gè)非正弦周期函數(shù)可以分解成為基波和高次諧波，其能量主要集中在基波附近，高次諧波的能量很少。由于它的峰峰值較小(僅僅為幾伏到幾卡伏)，如果能夠通過某些電路元件(如LC網(wǎng)絡(luò)等)以電磁波的形式發(fā)射出去，對(duì)收音機(jī)等元線電接收設(shè)備的干擾是比較小的。以中波波段(531-1611kHz)中的1000kHz頻率為例，1∞Hz脈沖形電流中的1則kHz諧波才與之諧振，該頻率上的能量幾乎為零，除非將收音機(jī)緊貼其放置，否則不可能出現(xiàn)干擾。但是實(shí)際上許多收音機(jī)在距離該開關(guān)式穩(wěn)壓電源
較遠(yuǎn)的位置仍然可以出現(xiàn)干擾，原因是什么呢?可以通過下面的分析得出結(jié)論。用低頻信號(hào)去調(diào)制高頻載波的幅度，使高頻載波的整體包絡(luò)線與低頻信號(hào)的變化規(guī)律相同，這就是調(diào)幅，相應(yīng)的已調(diào)波就是調(diào)幅波。如果低頻信號(hào)是單一頻率的正弦波，高頻載波也是單一頻率的正弦波，兩者通過調(diào)制作用得到調(diào)幅波，根據(jù)幅度調(diào)制原理，低頻信號(hào)的幅度與高頻載波信號(hào)的幅度比小于1:3的情況下，載波的包絡(luò)線基本與低頻信號(hào)類似。如果低頻信號(hào)是多個(gè)頻率，則調(diào)幅波的頻譜即為載波和上下兩個(gè)邊頻帶。開關(guān)式穩(wěn)壓電源的低頻脈沖幅度較小而高頻開關(guān)脈沖的幅度較大，在開關(guān)式穩(wěn)壓電源內(nèi)部這種調(diào)幅作用必然會(huì)發(fā)生，因此該電源所產(chǎn)生的電磁輻射就是調(diào)幅干擾波，由于兩者都包含豐富的基波和諧波。交叉調(diào)制的結(jié)果使得干擾遍布在超音頻以上很寬的頻率范圍內(nèi)，所以會(huì)在中、短波范圍內(nèi)昕到強(qiáng)烈的干擾聲音，而且這種干擾幾乎遍布整個(gè)波段。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證前述問題的存在，用一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源代替交流電源，直接向開關(guān)電源供電，測試的結(jié)果正如事先預(yù)料的一樣，即由于不存在100Hz的充電脈沖，不論把收音機(jī)放在哪都昕不到由收音機(jī)發(fā)出的噪聲。
根據(jù)以上的試驗(yàn)可以得到如下的結(jié)論:開關(guān)電源對(duì)于元線電廣播的干擾主要來自于100Hz低頻充電脈沖及其諧波調(diào)制高頻方波形成復(fù)雜的調(diào)幅波。由于高頻開關(guān)方波的強(qiáng)度大，不易抑制，故不應(yīng)一昧地加強(qiáng)高頻濾波電容器的容量。
由此聯(lián)想到熒光燈電子鎮(zhèn)流器污染電磁環(huán)境的問題，對(duì)于熒光燈電子鎮(zhèn)流器也做了相應(yīng)的試驗(yàn)，雖然熒光燈可以被點(diǎn)亮，但是隨之而來的問題是在該熒光燈下幾乎無法用收音機(jī)收昕廣播，電臺(tái)信號(hào)被淹沒在噪聲之中，又由于該電子鎮(zhèn)流器的負(fù)載是暴露在空間且尺寸較大的熒光燈，因此由它所輻射的干擾電磁波強(qiáng)度很大，噪聲很嚴(yán)重。
4.抗干擾措施
綜上所述，開關(guān)式穩(wěn)壓電源的電磁輻射干擾主要來自低頻100Hz充電脈沖及其諧波對(duì)超音頻振蕩方波及其諧波的幅度調(diào)制，減弱的辦法
主要有以下幾種:
(1)采用適當(dāng)容量的濾波電解電容器。主要應(yīng)該從抗干擾及性能價(jià)格比兩個(gè)方面來考慮。
(2)在可能的情況下，采用適當(dāng)?shù)姆椒?，減少超音頻振蕩方波波形的過沖和振蕩。這樣做的目的主要是減小超音頻振蕩的高次諧波能量，從而可以降低無線電干擾的程度。
(3)采用比較完善的歷濾波網(wǎng)絡(luò)，削弱開關(guān)式穩(wěn)壓電源
向交流市電回輸?shù)母蓴_。該濾波網(wǎng)絡(luò)的形式有很多，可以根據(jù)具體的電源和負(fù)載來綜合考慮選擇電路形式。
(4)合理地設(shè)計(jì)印制電路板，采用大面積接地措施，同時(shí)加強(qiáng)屏蔽。這樣可以有效地減少分布電容引起的電磁輻射強(qiáng)度，同樣也能較好地提高該電源的可靠程度。