開關(guān)電源的電磁干擾及其濾波措施

1、開關(guān)電源的電磁干擾及其濾波措施1引言開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等特點(diǎn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域。但開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)。EMI信號既占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個干擾源。隨著電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者越來越關(guān)注的問題。2開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的因素較多，其中由

2、基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要因素。它們所以產(chǎn)生于電源裝置的內(nèi)部，是由于開關(guān)電源中的二級管和晶體管在工作過程中產(chǎn)生的躍變電壓和電流，通過高頻變壓器、儲能電感線圈和導(dǎo)線以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件布局等而造成的?；菊髌鞯恼鬟^程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)檎也ㄍㄟ^整流器后不再是單一頻率的電流，而是變成單向脈動電源，此電流波形分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較高的諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾，使接收機(jī)等產(chǎn)生噪聲。

3、變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整的部件，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大輻度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：(1) 開關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲能電感。在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級出現(xiàn)很大的電流，它在開關(guān)管過激勵較大時，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。(2) 由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾。當(dāng)原來飽和的開關(guān)管關(guān)斷時， 變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢eL=Ldi/dt會使開關(guān)管的集-射極之間出現(xiàn)電壓上沖。這是因?yàn)殚_關(guān)管從Ton轉(zhuǎn)換到Toff時，

4、由于變壓器的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，與集電極的電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比。這種電源電壓中斷會產(chǎn)生與變壓器初級接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，它是一種傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會使干擾傳導(dǎo)返回配電系統(tǒng)，造成電網(wǎng)諧波電磁干擾，影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。(3) 由輸出整流二級管產(chǎn)生的干擾。在輸出整流二級管截止時，有一個反向電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二級管稱為硬恢復(fù)特性二級管，

5、這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。對上述開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI所采取的抑制措施，主要有正確選擇半導(dǎo)體元器體、變壓器鐵芯材料和在開關(guān)電源的電路中采取屏蔽、接地、濾波等幾種方法。本文僅介紹濾波措施。3抑制開關(guān)電源EMI的濾波措施濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對付開關(guān)電源EMI信號的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號，均可用差模和共模干擾信號來表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地(機(jī)殼)之間傳輸，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小，共

6、模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下。 除抑制干擾源以外，最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關(guān)電源的工作頻率約為10100 kHz。EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10 kHz算起。對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號，只要選擇相應(yīng)的去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單的EMI濾波器，就不難滿足符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波效果。3.1EMI濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖1為開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖 1開關(guān)電源EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)該濾波器是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)

7、絡(luò)，其中L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的2只獨(dú)立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈LCM，L3、L4是獨(dú)立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負(fù)載端接被干擾設(shè)備，那么L1和CY，L2和CY就分別構(gòu)成L-E和N-E兩對獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示，它由LCM和CY組成。圖中右邊是開關(guān)電源的共模噪聲等效電路，并聯(lián)電容CP包括開關(guān)管集電極和地之間的分布電容，高頻變壓器和次級間的分布電容； RP是電流源的并聯(lián)電阻。開關(guān)電源共模噪聲等效電路的源內(nèi)阻ZSMPS是高阻抗容性的。圖 2共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

8、1中，L1，L2兩個線圈所繞匝數(shù)相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，從而使用兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L1和L2的電感量是不相等的，于是，(L1L2)形成差模電感LDM，它和L3與L4形成的獨(dú)立差模抑制電感與Cx電容器又組成L-N獨(dú)立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。 差模干擾信號等效電路如圖3所示。它由高阻抗干擾等效電路和低阻抗干擾等效電路兩部分組成。圖中，開關(guān)S表示橋式整流二極管導(dǎo)通與否，因此高低兩個等效電

9、路是不能同時存在的；RS是分布電組，LS是分布電感，數(shù)值都很小。為與共模情況區(qū)別，RP和CP用RP和CP表示。圖 3開關(guān)電源EMI差模信號等效電路差模EMI信號濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如圖4所示。LDM是差模電感，包含共模線圈形成的差模電感和獨(dú)立的差模抑制電感；CLL是濾波網(wǎng)絡(luò)選用的并聯(lián)電容。圖4(b)與圖4(a)相比，增加了一個CLL2，其數(shù)值的選擇使濾波網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載構(gòu)成失配狀態(tài)。圖 4差模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于圖1電路是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性。當(dāng)它安裝在系統(tǒng)中后，既能有效地抑制電子設(shè)備外部的EMI信號傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時產(chǎn)生的EMI信號傳向電網(wǎng)，起到同時衰減兩組共模EMI信號和一組差模

10、EMI信號的作用。3.2EMI濾波器選用與安裝開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了2種不同的下標(biāo)“X”和“Y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級。無論是選用還是設(shè)計(jì)EMI濾波器，都要認(rèn)真地考慮CX和CY的安全等級。在實(shí)際應(yīng)用中，CX電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會迭加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓，因此要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合安全等級的CX電容器。CY電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼(E)之間，對于220 V，50 Hz電源，它除符合250 V峰值電壓的耐壓要求外，還要求

11、這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全余量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。EMI濾波器是具有互易性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，圖5中ZSZin、ZLZout時，EMI信號會在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射的關(guān)系為：A=10 lg(12)圖 5濾波器工作原理電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合最大失配的原則下，盡可能合理選擇元器件參數(shù)，使EMI信號衰減最大。在使用開關(guān)電源濾波

12、器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，會大大降低濾波器的抑制效果。引言 功率開關(guān)器件的高額開關(guān)動作是導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面也導(dǎo)致了更為嚴(yán)重的EMI問題。如何減小產(chǎn)品的EMI，使其順利通過FCC或IEC1000等EMC標(biāo)準(zhǔn)論證測試，已成為目前急須解決的問題。圖11 EMI分析 具體電路如圖1所示。 輸入為交流220V，經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)橹绷髯鳛榉醇ぷ儞Q器的輸入，輸出為三組直流：5V

13、，15V，12V，另外有一輔助電源5V，用來給光耦PC817供電?？刂齐娐酚梅答伩刂?，選用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。 開關(guān)電源工作時，其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內(nèi)上升和下降的，因此，開關(guān)電源本身是一個噪聲發(fā)生源。開關(guān)電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。使電源產(chǎn)生的干擾不至于對電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源，或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑。 本電路中，交流輸入電壓Ui經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動電壓，經(jīng)電容C12平滑后變?yōu)橹绷?，但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波。如圖2所示。 由圖2中電流波形可知，電流中含有高次

14、諧波。大量電流諧波分量流入電網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的諧波污染。另外，由于電流是脈沖波，使電源輸入功率因數(shù)降低。 2.1 高次諧波的抑制 在電路中采用共模扼流圈L11來抑制高次諧波。 對開關(guān)電源二根進(jìn)線而言，存在共模干擾和差模干擾，如圖3（a）及圖3（b）所示。 在差模干擾信號作用下，干擾源產(chǎn)生的電流i，在磁芯中產(chǎn)生方向相反的磁通，磁芯中等于沒有磁通，線圈電感幾乎為零。因此不能抑制差模干擾信號。 在共模干擾信號作用下，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強(qiáng)的作用，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時的兩倍。因此，這種接法的電磁線圈對共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。 電路中在電網(wǎng)與整流橋之間插入一共模扼流圈，該扼流圈對電網(wǎng)

15、頻率的差模網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)極低的阻抗，因而對電網(wǎng)的壓降極低；而對電源產(chǎn)生的高頻共模噪聲，等效阻抗較高，因而可以得到希望的插入損耗。 2.2 扼流圈L11與C11組成低通濾波器 扼流圈L11的等效電感為L，以電源端作為輸入，電網(wǎng)方向作為輸出，則電路圖如圖4所示。 其傳遞函數(shù)幅值為 如圖5所示。由此可見，以上LC網(wǎng)絡(luò)組成的低通濾波器，可濾除0=1/LC11以上的高次諧波。 2.3 共模和差模濾波器方案 本電路主要的EMI問題是電源噪聲傳入電網(wǎng)，將原來的共模扼流圈L11與電容C11及C12組成的濾波電路變?yōu)槿鐖D6所示電路。L1，L2，C1可除去差模干擾，L3，C2，C3可除去共模干擾。L1，L2為不易磁

16、飽和的材料；C1可選陶瓷電容；L3為共模扼流圈；選定C=C2=C3及截止頻率fo，則可根據(jù)L3=1/(2fo)2C計(jì)算L3；選定C1及截止頻率fo，可根據(jù)L1=L2=1/2(2fo)2C1計(jì)算L1及L2。 2.4 緩沖電路由于開關(guān)的快速通斷，開關(guān)電流、電壓波形為脈沖形式，產(chǎn)生噪聲污染，增大了電源輸出紋波，影響了電源的性能。 在電路中，輸入為交流220V，經(jīng)整流后電容上的電壓約為交流有效值的1.21.4倍，即最大時為Ucm=2201.4=308V。另外，變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Un88/9，Un取副邊第一繞組的電壓，一般為9V左右，使穩(wěn)壓輸出為5V。則Up=88V。因此，開關(guān)關(guān)斷時所要承

17、受的總電壓Ut=UcmUp=30888=396V?？梢娪斜匾獙﹂_關(guān)進(jìn)行過壓保護(hù)。電路選用的TOPSwitch開關(guān)芯片，其內(nèi)部有過壓保護(hù)和緩沖電路。為保險起見，還增加了外部的緩沖電路，由R和C組成未加入緩沖電路和加入緩沖電路之后開關(guān)管電壓ut和管電流ic及關(guān)斷功耗pt的波形如圖7(a)及圖7（b）所示。加RC緩沖電路后，開關(guān)電壓上升速率變慢，噪聲減弱，抑制了EMI，并且開關(guān)功耗變小，使管子不致因過流過熱而損壞。緩沖電路中的R在開關(guān)開通，電容C放電時起限流作用，避免對開關(guān)管的沖擊。 對于開關(guān)開通時的電流沖擊，由于有變壓器原邊線圈Np的限流，在電路中沒加限流電感。 2.5 光電隔離 Flyback電

18、路中使用PC817光耦對主電路和控制電路進(jìn)行隔離。電源電路中，開關(guān)的控制非常重要，精度、穩(wěn)定性要求高，且控制電路對噪聲敏感，一旦有噪聲，控制電路中的控制信號就會紊亂，嚴(yán)重影響電源的工作和性能。因此，用PC817將電源中的兩部分進(jìn)行隔離，這樣便防止了噪聲通過傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中。 3 結(jié)語 通過EMI分析及采用相應(yīng)的抑制方法，設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有抗電磁干擾性強(qiáng)，電源穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。在縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，滿足了對三菱模塊（IPM）的驅(qū)動控制，使電機(jī)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定。電子設(shè)備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件。這些元件包括片式電感和片式磁珠，以下就這兩種器件的特點(diǎn)進(jìn)行描述并

19、分析他們的普通應(yīng)用場合以及特殊應(yīng)用場合。 表面貼裝元件的好處在于小的封裝尺寸和能夠滿足實(shí)際空間的要求。除了阻抗值，載流能力以及其他類似物理特性不同外，通孔接插件和表面貼裝器件的其他性能特點(diǎn)基本相同。 片式電感 在需要使用片式電感的場合，要求電感實(shí)現(xiàn)以下兩個基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路包括諧振發(fā)生電路，振蕩電路，時鐘電路，脈沖電路，波形發(fā)生電路等等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。 要使電路產(chǎn)生諧振，必須有電容和電感同時存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當(dāng)于電容介質(zhì)而產(chǎn)生的。在諧振電路中，電感必須具有高Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數(shù)，才能

20、達(dá)到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。 高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數(shù)保證諧振頻率具有穩(wěn)定的溫度變化特性。 標(biāo)準(zhǔn)的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在于封裝不一樣。電感結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)材料（通常為氧化鋁陶瓷材料）上繞制線圈，或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。 在功率應(yīng)用場合，作為扼流圈使用時，電感的主要參數(shù)是直流電阻（DCR）,額定電流，和低Q值。當(dāng)作為濾波器使用時，希望寬帶寬特性，因此，并不需要電感的高Q特性。低的DCR可以保證最小的電壓降，DCR定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻。 片式磁珠 片式磁珠的功能主要是消除存在于

21、傳輸線結(jié)構(gòu)（PCB電路）中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號,而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射（EMI）。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色（衰減器），該器件允許直流信號通過，而濾除交流信號。通常高頻信號為30MHz以上，然而，低頻信號也會受到片式磁珠的影響。片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，構(gòu)成高體積電阻率的獨(dú)石結(jié)構(gòu)。渦流損耗同鐵氧體材料的電阻率成反比。渦流損耗隨信號頻率的平方成正比。 使用片式磁珠的好處： 小型化和輕量化 在射頻噪聲頻率范圍內(nèi)具有高阻抗，消除傳輸線中的電磁干擾。 閉合磁路結(jié)構(gòu)，更好地消除信號的串繞。 極好的磁屏蔽結(jié)構(gòu)。 降低直流電阻，以