开关电源中电磁干扰的抑制

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0、引言

随着开关电源技术的不断发展和日趋成熟，各个应用领域对开关电源的需求也不断增长，但是，开关电源存在严重的电磁干扰（EMI）问题。它不仅对电网造成污染，直接影响到其它用电电器的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，对空间也造成电磁污染。于是便产生了开关电源的电磁兼容（EMC）问题。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

开关电源的电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰通过交流电源传播，频率低于30MHz。辐射干扰通过空气传播，频率在30MHz以上。

本文针对一种桌面式180W塑壳开关电源（负载是12V/15A的半导体制冷冰箱，电源外形大小205mm×90mm×62mm）所存在的电磁干扰超标问题，从原理上进行了分析，并探讨了解决方案。

1、180W开关电源的电路结构分析与电磁干扰测试

1.1 主电路与结构布局分析

该开关电源的电路原理如图1所示。

（a）电容滤波整流部分（b）半桥开关电路部分
图1 180W开关电源电路
电容滤波整流器功率因数低，整流二极管导通时间较短，滤波电容充电电流瞬时值的峰值大，整流后的电流波形为脉动状，产生高的谐波电流。

半桥电路中高频导通和截止的S1、S2，D3、D4和变压器T1是开关电源的主要骚扰源，产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。

该开关电源的内部布局如图2所示，左边是交流电源输入和直流输出，靠左边上下两侧留有通风孔，风机在右边，采用向外抽风方式散热，保证塑壳内的热量及时排出，避免热量在塑壳内积聚。该布局的优点是通风路比较通畅，但也存在缺点——输入输出接口电缆安装得较近，在它们之间容易产生空间耦合，形成辐射骚扰。

图2 内部结构图
1.2 电磁干扰测试

表1所列为测得的7～21次谐波电流的数值，其中11、15、17次谐波电流都超标。
表1 实测的谐波电流数值

图3为测得的传导干扰超标现象。

图3 传导干扰低频超标
辐射骚扰预测结果在30～50MHz和100MHz处超出限值，如图4所示。

图4 辐射骚扰预测图
2、电磁干扰的抑制

2.1 谐波电流的抑制

采用功率因数校正可以解决谐波电流超标的问题。有源功率因数校正采用Boost升压PFC电路，功率因数提高到0.99以上，使得谐波电流很小，但电路复杂，成本也不低，而且电路中的开关管和高压整流二极管的开关噪声将成为新的骚扰源，使整机的EMI达标增加了难度。

考虑到在交流输入电压（AC 220～250V）范围内，满足电压调整率情况下，适当减小滤波电容，输入串联电阻可以在一定程度上降低滤波电容充电电流瞬时值的峰值，满足谐波电流限值，且功率损耗在可以接受的范围之内，整机电源效率下降不多，也不失为较好方法。采用这一方法后实测谐波电流值如表2所列。
表2 滤波后谐波电流值

2.2 传导骚扰的抑制

传导噪声主要来源半桥变换器中功率开关管S1及S2以频率25kHz交替工作，功率开关管集电极发射极电压Uce和发射极电流Ic波形接近矩形波。傅立叶分析表明，矩形波脉冲具有相当宽的频率带宽，含有丰富的高次谐波，脉冲波形的频谱幅度在低频段较高。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道（即低通滤波器），以抑制或去除电磁骚扰，达到电磁兼容的目的。

如图5所示，输入滤波器是由电感（LF1、LF2）和CY电容（C4、C5）及CX电容（C1、C2、C3）组成的低通滤波器电路构成。对频率较高的噪声信号有较大的衰减。C1、C2、C3是滤除共模干扰的电容，C4、C5是滤除差模干扰的电容，LF1、LF2是共模线圈。

图5 输入滤波器
图3中低频传导干扰（0.15～1MHz范围）超标，共模噪声的主要骚扰源是功率开关管，低频传导干扰抑制以增加共模电感的电感量为主，当共模电感从原设计的15mH增加到24mH时，低频传导干扰最大处下降30dB，得到了显著改善。如图6所示。

图6 寄生参数影响传导超标
输入滤波器对20MHz以下噪声抑制有明显的效果。理想输入滤波器是低通滤波器，但实际上是带阻滤波器，电容器的引线电感和电感线圈上的寄生电容，在频率较高时影响就不能忽视。在1MHz时就变得十分明显了。

当开关电源频率增加时，所需的共模电感可大大减小，共模电感体积也减小。但是，开关电源在20MHz以上频带的辐射噪声份量有所增加，给辐射骚扰的达标带来麻烦。开关频率和共模电感的关系如表3所列。
表3 开关频率和共模电感的关系

由于共模电感线圈存在寄生电容，高频噪声成分经过寄生电容向外发射骚扰，故使用单个大感量共模电感不容易达到好的高频滤波效果，一般采用两个共模电感，同样的电感量抑制高频噪声很见效，将有6dB以上的差值。

CX电容器高频阻抗频率特性是一个关系电磁骚扰抑制效果的重要参数。电容器在高频使用时等效为r（等效串联电阻）＋C＋L（等效串联电感）电路。由于电容器自身的固有电感（即等效串联电感）存在，在频率低的范围，电容器电抗呈容性，在频率高的范围，电容器电抗呈感性，这时抑制骚扰的能力就明显下降。电容器的固有引线电感越小和骚扰源的高频内阻抗越大，则抑制骚扰的效果越好。

C4及C5的引线和连接地引线应尽量短，以使接地阻抗尽量小，噪声能经过电容旁路到地线，C4及C5取较大电容量滤波效果好，但是，随着电容量的增加泄漏电流也增加了，而泄漏电流值是电气安全中的重要指标，决不允许超过规定数值。一般的漏电流限制是3.5mA，此桌面式塑壳开关电源属手持式设备，最大漏电流限制为0.75mA，实测值为0.55mA。