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討論開關電源的電磁干擾?。ㄒ唬?/h1>
日期：2025-04-30 18:51
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摘要：
引言
電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否**可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關電源兩類。開關電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關電源內(nèi)部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的...
引言
電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否**可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關電源兩類。開關電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關電源內(nèi)部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可以采用體積較小的濾波元件和散熱器。
開關電源以其體積小、功率因數(shù)較大等諸多優(yōu)點，而在通信、控制、計算機等領域具有廣泛的用途。但是，由于其同時會產(chǎn)生電磁干擾，因而在一定程度上限制了開關電源的使用。
電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，它們不會因為內(nèi)部或彼此之間存在的電磁干擾而影響其正常工作。電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中，按設計要求正常工作的能力。
電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。按頻帶分，可分為寬帶干擾與窄帶干擾。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾。
1 開關電源電磁干擾的產(chǎn)生機理
開關電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明。
1.1 二極管的反向恢復時間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/di）。
1.2 開關管工作時產(chǎn)生的諧波干擾
一般情況下，功率開關管在導通時，都會流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。
1.3 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開關電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
1.4 其他原因
元器件的寄生參數(shù),開關電源的原理圖設計不夠**，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性,PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
經(jīng)過20多年的發(fā)展，開關電源現(xiàn)在已經(jīng)大量投放市場。由于開關電源通常具有高功率密度、高效率等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用在計算機、電視機、通信設備、控制裝置等設備之中。隨著功率半導體器件，如MOSFETJGBT的發(fā)展和開關技術的進步，開關電源的開關頻率和功率密度不斷上升，這些都導致開關電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越惡劣，同時對周圍的電子設備及電源本身的正常工作造成了威脅。因此，降低開關電源的EMI成為開關電源設計中的重要課題之一。
在電力電子系統(tǒng)中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分（DC/DC部分）；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個PCB上。前者在多數(shù)情況下都是干擾源;后者則屬于弱電部分，是敏感設備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度，因而控制模塊可能會受到干擾而不能正常工作。開關電源的開關頻率不是很高，其產(chǎn)生的輻射干擾主要在其附近。由于開關頻率的提高將使體積減小、重量減輕，因而開關頻率的進一步提高，使得輻射干擾變得更為嚴重。與信號處理電路中線路阻抗匹配的情況不同，開關電源的干擾源阻抗與網(wǎng)絡不僅不配合，而且隨工況變化，這無疑給EMI濾波器的設計帶來了一定的困難。同時EMI濾波器中的L、C組件還必須受到很大的無功功率,這些降低了開關電源的整體效率，增大了開關電源的體積。另外，開關電源EMI濾波器在高頻段難以達到設計要求也是一個重要的問題。
1.5 開關電源EMI的特點
作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關頻率不高（從幾十千赫茲到數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。
2 EMI形成的三個因素
2.1 電磁干擾源
電磁干擾源是指會產(chǎn)生EMI的組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。電磁干擾源分為自然干擾源和人為干擾源。雷電放電，沙漠地區(qū)的沙暴和塵暴產(chǎn)生的局部EMI等。天電干擾源以及電阻等電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲等屬于自然干擾源。常見的人為干擾源包括電力線干擾源、旋轉機械干擾源、點火系統(tǒng)干擾源和功能干擾源。
2.2 敏感設備
敏感設備指的是可能對電磁干擾發(fā)生回應的設備。
2.3 耦合路徑或稱為耦合通道
耦合路徑指的是能把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設備上，并使該設備產(chǎn)生響應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，耦合干擾是通過“場”進行傳播的。因此，分析傳導干擾使用“電路”理論,而分析輻射干擾就必須采用電磁場理論。
由此可見，要消除電磁干擾，可以采取去掉干擾
源、切斷干擾路徑以及降低敏感設備的敏感度這三種辦法中的一種即可。
圖1所示為EMI形成的三個因素。
圖1 EMI形成的三個因素
3 EMC相關標準簡介
我國的EMC標準和規(guī)范制度工作開展較晚。1966年，我國制定了**個無線電干擾標準JB854-66“船用電氣設備無線電干擾端子電壓測量方法與允許值氣近年來，我國積極借鑒國際標準，制定了一系列EMC的標準和規(guī)范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能測量方法”，GJB1001—90“超短波輻射測量方法”等。
大多數(shù)國家的**和EMC標準通常是合在一起的。CE認證（即歐洲共同體認證）就是一個例子。另一個例子是CCC認證（中國強制認證）。大體上說，在相關地區(qū)銷售的產(chǎn)品必須有這些認證標志，并被認為是同時符合**和EMC標準的。這些**認證越來越被市場視為產(chǎn)品質(zhì)量的標志。一般電源工程師幾乎可以只考慮歐洲EMI標準中的EN550022C針對IT設備）。該標準*初（實際上沿用至今）被稱為CISPR22,它是我們應特別重視的標準。
4 實施電磁兼容性的方法
在電子技術的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了三種實施電磁兼容性的方法。
4.1 問題解決法
該方法是先進行研制，*后根據(jù)研制成的設備和系統(tǒng)在聯(lián)試中出現(xiàn)的EMI問題，運用各種抑制干擾的技術去逐個解決。這種辦法十分落后，因為系統(tǒng)已經(jīng)裝配好，再去解決EMI問題是十分麻煩的事情。為了解決問題，可能要大量拆卸和修改，嚴重的也許還要重新設計。這會造成大量的人力、物力浪費，延誤系統(tǒng)開發(fā)周期。
規(guī)范法
規(guī)范法是按頒布的電磁兼容性標準和規(guī)范進行設備和系統(tǒng)設計制造。該方法在一定程度上能預防EMI問題的出現(xiàn)，比用問題解決法更為合理。但由于標準和規(guī)范不可能是針對某個設備系統(tǒng)制定的，因此,企圖解決的問題不一定是真正存在的問題，只是為了適應規(guī)范而已。另外，規(guī)范是建立在電磁兼容實踐經(jīng)驗基礎上的，沒有進行EMI的分析和預測，因而往往導致過多的預防儲備，可能使系統(tǒng)成本增加。
系統(tǒng)法
系統(tǒng)法是用計算機技術按預測程序針對某個特定系統(tǒng)的設計方案進行電磁兼容性預測和分析。系統(tǒng)法從設計開始就預測和分析設備的電磁兼容性，并在設備或系統(tǒng)設計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其進行電磁兼容性預測分析。如果預測結果表明存在不兼容問題，則可修改設計后再進行預測，直至預測結果表明完全兼容，才進行硬件生產(chǎn)。
引言
電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否**可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關電源兩類。開關電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關電源內(nèi)部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可以采用體積較小的濾波元件和散熱器。
開關電源以其體積小、功率因數(shù)較大等諸多優(yōu)點，而在通信、控制、計算機等領域具有廣泛的用途。但是，由于其同時會產(chǎn)生電磁干擾，因而在一定程度上限制了開關電源的使用。
電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，它們不會因為內(nèi)部或彼此之間存在的電磁干擾而影響其正常工作。電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中，按設計要求正常工作的能力。
電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。按頻帶分，可分為寬帶干擾與窄帶干擾。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾。
1 開關電源電磁干擾的產(chǎn)生機理
開關電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明。
1.1 二極管的反向恢復時間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/di）。
1.2 開關管工作時產(chǎn)生的諧波干擾
一般情況下，功率開關管在導通時，都會流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。
1.3 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開關電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
1.4 其他原因
元器件的寄生參數(shù),開關電源的原理圖設計不夠**，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性,PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
經(jīng)過20多年的發(fā)展，開關電源現(xiàn)在已經(jīng)大量投放市場。由于開關電源通常具有高功率密度、高效率等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用在計算機、電視機、通信設備、控制裝置等設備之中。隨著功率半導體器件，如MOSFETJGBT的發(fā)展和開關技術的進步，開關電源的開關頻率和功率密度不斷上升，這些都導致開關電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越惡劣，同時對周圍的電子設備及電源本身的正常工作造成了威脅。因此，降低開關電源的EMI成為開關電源設計中的重要課題之一。
在電力電子系統(tǒng)中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分（DC/DC部分）；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個PCB上。前者在多數(shù)情況下都是干擾源;后者則屬于弱電部分，是敏感設備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度，因而控制模塊可能會受到干擾而不能正常工作。開關電源的開關頻率不是很高，其產(chǎn)生的輻射干擾主要在其附近。由于開關頻率的提高將使體積減小、重量減輕，因而開關頻率的進一步提高，使得輻射干擾變得更為嚴重。與信號處理電路中線路阻抗匹配的情況不同，開關電源的干擾源阻抗與網(wǎng)絡不僅不配合，而且隨工況變化，這無疑給EMI濾波器的設計帶來了一定的困難。同時EMI濾波器中的L、C組件還必須受到很大的無功功率,這些降低了開關電源的整體效率，增大了開關電源的體積。另外，開關電源EMI濾波器在高頻段難以達到設計要求也是一個重要的問題。
1.5 開關電源EMI的特點
作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關頻率不高（從幾十千赫茲到數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。
2 EMI形成的三個因素
2.1 電磁干擾源
電磁干擾源是指會產(chǎn)生EMI的組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。電磁干擾源分為自然干擾源和人為干擾源。雷電放電，沙漠地區(qū)的沙暴和塵暴產(chǎn)生的局部EMI等。天電干擾源以及電阻等電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲等屬于自然干擾源。常見的人為干擾源包括電力線干擾源、旋轉機械干擾源、點火系統(tǒng)干擾源和功能干擾源。
2.2 敏感設備
敏感設備指的是可能對電磁干擾發(fā)生回應的設備。
2.3 耦合路徑或稱為耦合通道
耦合路徑指的是能把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設備上，并使該設備產(chǎn)生響應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，耦合干擾是通過“場”進行傳播的。因此，分析傳導干擾使用“電路”理論,而分析輻射干擾就必須采用電磁場理論。
由此可見，要消除電磁干擾，可以采取去掉干擾
源、切斷干擾路徑以及降低敏感設備的敏感度這三種辦法中的一種即可。
圖1所示為EMI形成的三個因素。
圖1 EMI形成的三個因素
3 EMC相關標準簡介
我國的EMC標準和規(guī)范制度工作開展較晚。1966年，我國制定了**個無線電干擾標準JB854-66“船用電氣設備無線電干擾端子電壓測量方法與允許值氣近年來，我國積極借鑒國際標準，制定了一系列EMC的標準和規(guī)范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能測量方法”，GJB1001—90“超短波輻射測量方法”等。
大多數(shù)國家的**和EMC標準通常是合在一起的。CE認證（即歐洲共同體認證）就是一個例子。另一個例子是CCC認證（中國強制認證）。大體上說，在相關地區(qū)銷售的產(chǎn)品必須有這些認證標志，并被認為是同時符合**和EMC標準的。這些**認證越來越被市場視為產(chǎn)品質(zhì)量的標志。一般電源工程師幾乎可以只考慮歐洲EMI標準中的EN550022C針對IT設備）。該標準*初（實際上沿用至今）被稱為CISPR22,它是我們應特別重視的標準。
4 實施電磁兼容性的方法
在電子技術的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了三種實施電磁兼容性的方法。
4.1 問題解決法
該方法是先進行研制，*后根據(jù)研制成的設備和系統(tǒng)在聯(lián)試中出現(xiàn)的EMI問題，運用各種抑制干擾的技術去逐個解決。這種辦法十分落后，因為系統(tǒng)已經(jīng)裝配好，再去解決EMI問題是十分麻煩的事情。為了解決問題，可能要大量拆卸和修改，嚴重的也許還要重新設計。這會造成大量的人力、物力浪費，延誤系統(tǒng)開發(fā)周期。
規(guī)范法
規(guī)范法是按頒布的電磁兼容性標準和規(guī)范進行設備和系統(tǒng)設計制造。該方法在一定程度上能預防EMI問題的出現(xiàn)，比用問題解決法更為合理。但由于標準和規(guī)范不可能是針對某個設備系統(tǒng)制定的，因此,企圖解決的問題不一定是真正存在的問題，只是為了適應規(guī)范而已。另外，規(guī)范是建立在電磁兼容實踐經(jīng)驗基礎上的，沒有進行EMI的分析和預測，因而往往導致過多的預防儲備，可能使系統(tǒng)成本增加。
系統(tǒng)法
系統(tǒng)法是用計算機技術按預測程序針對某個特定系統(tǒng)的設計方案進行電磁兼容性預測和分析。系統(tǒng)法從設計開始就預測和分析設備的電磁兼容性，并在設備或系統(tǒng)設計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其進行電磁兼容性預測分析。如果預測結果表明存在不兼容問題，則可修改設計后再進行預測，直至預測結果表明完全兼容，才進行硬件生產(chǎn)。
