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開關(guān)電源的干擾及其抑制
0 引言
開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置，具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用，然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，屬于強(qiáng)干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性，以保證電子設(shè)備能夠長期安全可靠地工作，是開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源的一個(gè)重要課題。
1 開關(guān)電源干擾的產(chǎn)生
開關(guān)電源的干擾一般分為兩大類：一是開關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的干擾；二是由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。
1．1 開關(guān)電源內(nèi)部干擾
開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI主要是由基本整流器產(chǎn)生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾。
1．1．1基本整流器
基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)楣ゎl交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流，而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量，諧波(特別是高次諧波)會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，使前端電流發(fā)生畸變，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。
1．1．2功率變換電路
功率變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，它產(chǎn)帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要元器件為
1)開關(guān)管開關(guān)管及其散熱器與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流(大體上是矩形波)時(shí)，該波形含有許多高頻成份；同時(shí)，關(guān)電源使用的器件參數(shù)如開關(guān)功率管的存儲(chǔ)時(shí)間，輸出級(jí)的大電流，開關(guān)整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，會(huì)造成回路瞬間短路，產(chǎn)生很大短路電流，另外，開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器或儲(chǔ)能電感，在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流，造成尖峰噪聲。
2)高頻變壓器 開關(guān)電源中的變壓器，用作隔離和變壓，但由于漏感的原因，會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)噪聲；同時(shí)，在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會(huì)將一次側(cè)高次諧波噪聲傳遞給次級(jí)，而變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通路，使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。
3)整流二極管二次側(cè)整流二極管用作高頻整流時(shí)，由于反向恢復(fù)時(shí)間的因素，往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時(shí)不能立即消除(因載流子的存在，還有電流流過)。一旦這個(gè)反向電流恢復(fù)時(shí)的斜率過大，流過線圈的電感就產(chǎn)生了尖峰電壓，在變壓器漏感和其他分布參數(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。
4)電容、電感器和導(dǎo)線開關(guān)電源由于工作在較高頻率，會(huì)使低頻元件特性發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。
1．2 開關(guān)電源外部干擾
開關(guān)電源外部干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等，電源干擾的類型見表1。
在表1中的幾種干擾中，能夠通過電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成因電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。
2 開關(guān)電源干擾耦合途徑
開關(guān)電源干擾耦合途徑有兩種方式：一種是傳導(dǎo)耦合方式，另一種是輻射耦合方式。
2．1 傳導(dǎo)耦合
傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備，產(chǎn)生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關(guān)電源中，這3種耦合方式同時(shí)存在，互相聯(lián)系。
2．1．1電路性耦合
電路性耦合是最常見、最簡單的傳導(dǎo)耦合方式。其又有以下幾種：
1)直接傳導(dǎo)耦合導(dǎo)線經(jīng)過存在騷擾的環(huán)境時(shí)，即拾取騷擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾。
2)共阻抗耦合由于兩個(gè)以上電路有公共阻抗，當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路，這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。
2 1．2電容性耦合
電容性耦合也稱為電耦合，由于兩個(gè)電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻間存在寄生電容，使一個(gè)電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。
2.1.3 電感性耦合
電感性耦合也稱為磁耦合，兩個(gè)電路之間存在互感時(shí)，當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。
2．2 輻射耦合
通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從騷擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷鳌Ｍǔ４嬖?種主要耦合途徑：天線耦合、導(dǎo)線感應(yīng)耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。
2．2．1 天線與天線間的輻射耦合
在實(shí)際工程中，存在大量的天線電磁耦合。例如，開關(guān)電源中長的信號(hào)線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應(yīng)，能夠接收電磁騷擾，形成天線輻射耦合。
2．2．2 電磁場對(duì)導(dǎo)線的感應(yīng)耦合
開關(guān)電源的電纜線一般是由信號(hào)回路的連接線、功率級(jí)回路的供電線以及地線一起構(gòu)成，其中每一根導(dǎo)線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)回路。因此，電纜線是內(nèi)部電路暴露在機(jī)箱外面的部分，最易受到騷擾源輻射場的耦合而感應(yīng)出騷擾電壓或騷擾電流，沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備形成輻射騷擾。
2．2．3 電磁場對(duì)閉合回路的耦合
電磁場對(duì)閉合回路的耦合是指回路受感應(yīng)最大部分的長度小于波長的1／4。在輻射騷擾電磁場的頻率比較低的情況下，輻射騷擾電磁場與閉合回路的電磁耦合。
2．2．4 電磁場通過孔縫的耦合
電磁場通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場通過非金屬設(shè)備外殼、金屬設(shè)備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對(duì)其內(nèi)部的電磁騷擾。
3 抑制干擾的一些措施
形成電磁干擾的三要素是騷擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面人手，采取適當(dāng)措施。首先應(yīng)該抑制騷擾源，直接消除干擾原因；其次是消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
1)采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾，即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場進(jìn)行屏蔽。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁騷擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場進(jìn)行有效的屏蔽。
2)所謂接地，就是在兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點(diǎn)上。接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁干擾的重要方法，電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”，因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地，利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上。
3)濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，可以抑制來自電網(wǎng)的干擾對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。
選擇濾波器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
(1)明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率，如兩者非常接近，則需要應(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器，才能把兩種頻率分開；
(2)保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作；
(3)濾波器連續(xù)通以最大額定電流時(shí)，其溫升要低，以保證在該額定電流連續(xù)工作時(shí)，不破壞濾波器中元件的工作性能；
(4)為使工作時(shí)的濾波器頻率特性與設(shè)計(jì)值相符合，要求與它連接的信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)定值：
(5)濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸，濾波器的電容引線應(yīng)盡量短，最好選用短引線低電感的穿心電容；
(6)要有較高的工作可靠性，因?yàn)樽鞣雷o(hù)電磁干擾用的濾波器，其故障往往比其他元器件的故障更難找。
安裝濾波器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
(1)電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源人口盡量靠近的地方，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在設(shè)備框內(nèi)迂回；
(2)濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短，以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振；
(3)濾波器的接地導(dǎo)線上有很大的短路電流通過，會(huì)引起附加的電磁輻射，故應(yīng)對(duì)濾波器元件本身進(jìn)行良好的屏蔽和接地處理；
(4)濾波器的輸人和輸出線不能交叉，否則會(huì)因?yàn)V波器的輸入和輸出電容耦合通路引起串?dāng)_，從而降低濾波特性，通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。
4 結(jié)語
開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的因素還有很多，抑制電磁干擾還有大量的工作要做。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲將使開關(guān)電源更加安全可靠地運(yùn)行。
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