近年來，開關電源以其效率高、體積小、輸出穩定性好的優點而迅速發展起來。但是，由於開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁幹擾問題非常突出。國內已經以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證
，使得對開關電源在電磁兼容方麵的要求更加詳細和嚴格。如今
，如何降低甚至消除開關電源的EMI問題已經成為全球開關電源設計師以及電磁兼容（EMC）設計師非常關注的問題。本文討論了開關電源電磁幹擾形成的原因以及常用的EMI抑製方法。

 

 

開關電源產生電磁幹擾最根本的原因
，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪湧電流和尖峰電壓形成了幹擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電
、開關管高頻工作時的電壓切換
、輸出整流二極管的反向恢複電流都是這類幹擾源。開關電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關管的驅動波形、MOSFET漏源波形等。對於矩形波，周期的倒數決定了波形的基波頻率；兩倍脈衝邊緣上升時間或下降時間的倒數決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz範圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關電源基本信號，尤其是控製電路的信號造成幹擾。

 

開關電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲
，例如，通過電網傳輸過來的共模和差模噪聲、外(wai)部(bu)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)幹(gan)擾(rao)等(deng)。另(ling)一(yi)類(lei)是(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)自(zi)身(shen)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)

，如(ru)開(kai)關(guan)管(guan)和(he)整(zheng)流(liu)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)尖(jian)峰(feng)產(chan)生(sheng)的(de)諧(xie)波(bo)及(ji)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)。

 

如圖1所示
，電網中含有的共模和差模噪聲對開關電源產生幹擾
，開關電源在受到電磁幹擾的同時也對電網其他設備以及負載產生電磁幹擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射幹擾）。進行開關電源EMI/EMC設(she)計(ji)時(shi)一(yi)方(fang)麵(mian)要(yao)防(fang)止(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)對(dui)電(dian)網(wang)和(he)附(fu)近(jin)的(de)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)要(yao)加(jia)強(qiang)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)本(ben)身(shen)對(dui)電(dian)磁(ci)騷(sao)擾(rao)環(huan)境(jing)的(de)適(shi)應(ying)能(neng)力(li)。下(xia)麵(mian)具(ju)體(ti)分(fen)析(xi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)產(chan)生(sheng)的(de)原(yuan)因(yin)和(he)途(tu)徑(jing)。

圖1開關電源噪聲類型圖

 

 

電源線噪聲是電網中各種用電設備產生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模幹擾、差模幹擾。共模幹擾（Common-modeInterference）定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差；差模幹擾（Differential-modeInterference）定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。兩種幹擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中CP1為變壓器初

、次級之間的分布電容
，CP2為開關電源與散熱器之間的分布電容（即開關管集電極與地之間的分布電容）。

圖2兩種幹擾的等效電路

如圖2（a）所示，開關管V1由導通變為截止狀態時，其集電極電壓突升為高電壓，這個電壓會引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，分布電容的充電頻率即開關電源的工作頻率。則線路*模電流總大小為（Icm1＋Icm2）。如圖2（b）所示，當V1導通時
，差模電流Idm和信號電流IL沿著導線、變壓器初級、開kai關guan管guan組zu成cheng的de回hui路lu流liu通tong。由you等deng效xiao模mo型xing可ke知zhi

，共gong模mo幹gan擾rao電dian流liu不bu通tong過guo地di線xian

，而er通tong過guo輸shu入ru電dian源yuan線xian傳chuan輸shu。而er差cha模mo幹gan擾rao電dian流liu通tong過guo地di線xian和he輸shu入ru電dian源yuan線xian回hui路lu傳chuan輸shu。所suo以yi，我wo們men設she置zhi電dian源yuan線xian濾lv波bo器qi時shi要yao考kao慮lv到dao差cha模mo幹gan擾rao和he共gong模mo幹gan擾rao的de區qu別bie
，在zai其qi傳chuan輸shu途tu徑jing上shang使shi用yong差cha模mo或huo共gong模mo濾lv波bo元yuan件jian抑yi製zhi它ta們men的de幹gan擾rao，以yi達da到dao最zui好hao的de濾lv波bo效xiao果guo。

 

 

開關電源的輸入普遍采用橋式整流
、電容濾波型整流電源。如圖3所示
，在沒有PFC功能的輸入級
，由於整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導通角變小，輸入電流i成為一個時間很短
、峰(feng)值(zhi)很(hen)高(gao)的(de)周(zhou)期(qi)性(xing)尖(jian)峰(feng)電(dian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)畸(ji)變(bian)的(de)電(dian)流(liu)實(shi)質(zhi)上(shang)除(chu)了(le)包(bao)含(han)基(ji)波(bo)分(fen)量(liang)以(yi)外(wai)還(hai)含(han)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)。這(zhe)些(xie)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)注(zhu)入(ru)電(dian)網(wang)，引(yin)起(qi)嚴(yan)重(zhong)的(de)諧(xie)波(bo)汙(wu)染(ran)，對(dui)電(dian)網(wang)上(shang)其(qi)他(ta)的(de)電(dian)器(qi)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)。為(wei)了(le)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)對(dui)電(dian)網(wang)的(de)汙(wu)染(ran)以(yi)及(ji)實(shi)現(xian)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，PFC電路是不可或缺的部分。

圖3未加PFC電路的輸入電流和電壓波形

 

 

主開關管是開關電源的核心器件
，同時也是幹擾源。其工作頻率直接與電磁幹擾的強度相關。隨著開關管的工作頻率升高，開關管電壓、電(dian)流(liu)的(de)切(qie)換(huan)速(su)度(du)加(jia)快(kuai)
，其(qi)傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)和(he)輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)加(jia)。此(ci)外(wai)，主(zhu)開(kai)關(guan)管(guan)上(shang)反(fan)並(bing)聯(lian)的(de)鉗(qian)位(wei)二(er)極(ji)管(guan)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)不(bu)好(hao)
，或(huo)者(zhe)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)吸(xi)收(shou)電(dian)路(lu)的(de)參(can)數(shu)選(xuan)擇(ze)不(bu)當(dang)也(ye)會(hui)造(zao)成(cheng)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。

 

開關電源工作過程中
，由初級濾波大電容
、gaopinbianyaqichujixianquanhekaiguanguangouchengleyigegaopindianliuhuanlu。gaihuanluhuichanshengjiaodadefushezaosheng。kaiguanhuiluzhongkaiguanguandefuzaishigaopinbianyaqichujixianquan，tashiyigeganxingdefuzai，suoyi，kaiguanguantongduanshizaigaopinbianyaqidechujiliangduanhuichuxianjianfengzaosheng。qingzhezaochengganrao，zhongzhejichuankaiguanguan。zhubianyaqiraozuzhijiandefenbudianronghelouganyeshiyinqidianciganraodezhongyaoyinsu。

 

 

理想的二極管在承受反向電壓時截止，不會有反向電流通過。而實際二極管正向導通時，PN結內的電荷被積累
，當二極管承受反向電壓時，PN結jie內nei積ji累lei的de電dian荷he將jiang釋shi放fang並bing形xing成cheng一yi個ge反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu，它ta恢hui複fu到dao零ling點dian的de時shi間jian與yu結jie電dian容rong等deng因yin素su有you關guan。反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu在zai變bian壓ya器qi漏lou感gan和he其qi他ta分fen布bu參can數shu的de影ying響xiang下xia將jiang產chan生sheng較jiao強qiang烈lie的de高gao頻pin衰shuai減jian振zhen蕩dang。因yin此ci，輸shu出chu整zheng流liu二er極ji管guan的de反fan向xiang恢hui複fu噪zao聲sheng也ye成cheng為wei開kai關guan電dian源yuan中zhong一yi個ge主zhu要yao的de幹gan擾rao源yuan。可ke以yi通tong過guo在zai二er極ji管guan兩liang端duan並bing聯lianRC緩衝器，以抑製其反向恢複噪聲。

 

 

開關電源的分布參數是多數幹擾的內在因素

，開關電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容
、原副邊的漏感都是噪聲源。共模幹擾就是通過變壓器初

、次級之間的分布電容以及開關電源與散熱器之間的分布電容傳輸的。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結構
、製造工藝有關。可以通過改進繞製工藝和結構、增加繞組之間的絕緣、caiyongfaladipingbidengfangfalaijianxiaoraozujiandefenbudianrong。erkaiguandianyuanyusanreqizhijiandefenbudianrongyukaiguanguandejiegouyijikaiguanguandeanzhuangfangshiyouguan。caiyongdaiyoupingbidejueyuanchendiankeyijianxiaokaiguanguanyusanreqizhijiandefenbudianrong。

如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性[2]，對其工作狀態產生影響。高頻工作時導線變成了發射線、電容變成了電感

、電感變成了電容

、電阻變成了共振電路。觀察圖4中zhong的de頻pin率lv特te性xing曲qu線xian可ke以yi發fa現xian
，當dang頻pin率lv過guo高gao時shi各ge元yuan件jian的de頻pin率lv特te性xing產chan生sheng了le相xiang當dang大da的de變bian化hua。為wei了le保bao證zheng開kai關guan電dian源yuan在zai高gao頻pin工gong作zuo時shi的de穩wen定ding性xing，設she計ji開kai關guan電dian源yuan時shi要yao充chong分fen考kao慮lv元yuan件jian在zai高gao頻pin工gong作zuo時shi的de特te性xing，選xuan擇ze使shi用yong高gao頻pin特te性xing比bi較jiao好hao的de元yuan件jian。另ling外wai，在zai高gao頻pin時shi，導dao線xian寄ji生sheng電dian感gan的de感gan抗kang顯xian著zhu增zeng加jia，由you於yu電dian感gan的de不bu可ke控kong性xing，最zui終zhong使shi其qi變bian成cheng一yi根gen發fa射she線xian。也ye就jiu成cheng為wei了le開kai關guan電dian源yuan中zhong的de輻fu射she幹gan擾rao源yuan。

圖4高頻工作下的元件頻率特性

 

 

電磁兼容的三要素是幹擾源、耦(ou)合(he)通(tong)路(lu)和(he)敏(min)感(gan)體(ti)，抑(yi)製(zhi)以(yi)上(shang)任(ren)何(he)一(yi)項(xiang)都(dou)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)問(wen)題(ti)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)電(dian)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)的(de)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)時(shi)
，其(qi)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)問(wen)題(ti)是(shi)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)的(de)。但(dan)是(shi)，仍(reng)符(fu)合(he)基(ji)本(ben)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)模(mo)型(xing)，可(ke)以(yi)從(cong)三(san)要(yao)素(su)入(ru)手(shou)尋(xun)求(qiu)抑(yi)製(zhi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)的(de)方(fang)法(fa)。

 

 

為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關電源需要使用功率因數校正（PFC）技術。PFC技ji術shu使shi得de電dian流liu波bo形xing跟gen隨sui電dian壓ya波bo形xing，將jiang電dian流liu波bo形xing校xiao正zheng成cheng近jin似si的de正zheng弦xian波bo。從cong而er降jiang低di了le電dian流liu諧xie波bo含han量liang，改gai善shan了le橋qiao式shi整zheng流liu電dian容rong濾lv波bo電dian路lu的de輸shu入ru特te性xing

，同tong時shi也ye提ti高gao了le開kai關guan電dian源yuan的de功gong率lv因yin數shu。

 

ruankaiguanjishushijianxiaokaiguanqijiansunhaohegaishankaiguanqijiandiancijianrongtexingdezhongyaofangfa。kaiguanqijiankaitongheguanduanshihuichanshenglangyongdianliuhejianfengdianya
，zheshikaiguanguanchanshengdianciganraojikaiguansunhaodezhuyaoyuanyin。shiyongruankaiguanjishushikaiguanguanzailingdianya、零(ling)電(dian)流(liu)時(shi)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。使(shi)用(yong)緩(huan)衝(chong)電(dian)路(lu)吸(xi)收(shou)開(kai)關(guan)管(guan)或(huo)高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)線(xian)圈(quan)兩(liang)端(duan)的(de)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya)也(ye)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)改(gai)善(shan)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)特(te)性(xing)。

 

輸出整流二極管的反向恢複問題可以通過在輸出整流管上串聯一個飽和電感來抑製，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料製成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導率，該種磁芯在BHquxianshangyongyouyiduanjiejinchuizhidexianxingqubinghenrongyijinrubaohe。shijishiyongzhong，zaishuchuzhengliuerjiguandaotongshi
，shibaohediangangongzuozaibaohezhuangtaixia，xiangdangyuyiduandaoxian；當二極管關斷反向恢複時
，使飽和電感工作在電感特性狀態下
，阻礙了反向恢複電流的大幅度變化
，從而抑製了它對外部的幹擾。

圖5飽和電感在減小二極管反向恢複電流中的應用

 

電源線幹擾可以使用電源線濾波器濾除，開關電源EMI濾波器基本電路如圖6所示。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模幹擾和共模幹擾都有較強的抑製作用。在圖6中CX1和CX2叫做差模電容
，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模幹擾有較強的衰減作用。

 

共模電感L1是在同一個磁環上由繞向相反、匝(za)數(shu)相(xiang)同(tong)的(de)兩(liang)個(ge)繞(rao)組(zu)構(gou)成(cheng)。通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)環(huan)形(xing)磁(ci)芯(xin)，漏(lou)磁(ci)小(xiao)
，效(xiao)率(lv)高(gao)，但(dan)是(shi)繞(rao)線(xian)困(kun)難(nan)。當(dang)市(shi)網(wang)工(gong)頻(pin)電(dian)流(liu)在(zai)兩(liang)個(ge)繞(rao)組(zu)中(zhong)流(liu)過(guo)時(shi)為(wei)一(yi)進(jin)一(yi)出(chu)

，產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)恰(qia)好(hao)抵(di)消(xiao)
，使(shi)得(de)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)對(dui)市(shi)網(wang)工(gong)頻(pin)電(dian)流(liu)不(bu)起(qi)任(ren)何(he)阻(zu)礙(ai)作(zuo)用(yong)，可(ke)以(yi)無(wu)損(sun)耗(hao)地(di)傳(chuan)輸(shu)。如(ru)果(guo)市(shi)網(wang)中(zhong)含(han)有(you)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)，這(zhe)種(zhong)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)是(shi)同(tong)方(fang)向(xiang)的(de)
，流(liu)經(jing)兩(liang)個(ge)繞(rao)組(zu)時(shi)，產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)同(tong)相(xiang)疊(die)加(jia)
，使(shi)得(de)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)對(dui)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)呈(cheng)現(xian)出(chu)較(jiao)大(da)的(de)感(gan)抗(kang)，由(you)此(ci)起(qi)到(dao)了(le)抑(yi)製(zhi)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)的(de)作(zuo)用(yong)。L1的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關
，具體關係參見表1所列。

表1電感量範圍與額定電流的關係

 

實際使用*模(mo)電(dian)感(gan)兩(liang)個(ge)電(dian)感(gan)繞(rao)組(zu)由(you)於(yu)繞(rao)製(zhi)工(gong)藝(yi)的(de)問(wen)題(ti)會(hui)存(cun)在(zai)電(dian)感(gan)差(cha)值(zhi)
，不(bu)過(guo)這(zhe)種(zhong)差(cha)值(zhi)正(zheng)好(hao)被(bei)利(li)用(yong)作(zuo)差(cha)模(mo)電(dian)感(gan)。所(suo)以(yi)


，一(yi)般(ban)電(dian)路(lu)中(zhong)不(bu)必(bi)再(zai)設(she)置(zhi)獨(du)立(li)的(de)差(cha)模(mo)電(dian)感(gan)了(le)。共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)的(de)差(cha)值(zhi)電(dian)感(gan)與(yu)電(dian)容(rong)CX1及CX2構成了一個∏型濾波器。這種濾波器對差模幹擾有較好的衰減。

 

除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模幹擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用
，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實際情況來定，由於電容CY接於電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計算電容CY漏電流的公式是

 

　　ID=2πfCYVcY

 

　　式中：ID為漏電流
；

 

　　f為電網頻率。

 

一般裝設在可移動設備上的濾波器

，其交流漏電流應<1mA；若為裝設在固定位置且接地的設備上的電源濾波器，其交流漏電流應<3.5mA，醫療器材規定的漏電流更小。由於考慮到漏電流的安全規範，電容CY的大小受到了限製，一般為2.2～33nF。電容類型一般為瓷片電容，使用中應注意在高頻工作時電容器CY與引線電感的諧振效應。

差模幹擾抑製器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一隻濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖6中電容CX1），zhiyaodianrongxuanzeshidang
，jiunengduigaopinganraoqidaoyizhizuoyong。gaidianrongduigaopinganraozukangshendi，gulianggendianyuanxianzhijiandegaopinganraokeyitongguota，taduigongpinxinhaodezukanghengao，guduigongpinxinhaodechuanshuhaowuyingxiang。gaidianrongdexuanzezhuyaokaolvnaiyazhi

，zhiyaomanzugonglvxianludenaiyadengji
，bingnengchengshoukeyuliaodedianyachongjijike。weilebimianfangdiandianliuyinqidechongjiweihai，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

圖6開關電源EMI濾波器

 

 

抑(yi)製(zhi)輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)的(de)有(you)效(xiao)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)屏(ping)蔽(bi)。可(ke)以(yi)用(yong)導(dao)電(dian)性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)的(de)材(cai)料(liao)對(dui)電(dian)場(chang)進(jin)行(xing)屏(ping)蔽(bi)，用(yong)磁(ci)導(dao)率(lv)高(gao)的(de)材(cai)料(liao)對(dui)磁(ci)場(chang)進(jin)行(xing)屏(ping)蔽(bi)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)磁(ci)場(chang)泄(xie)露(lu)

，使(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)次(ci)級(ji)耦(ou)合(he)良(liang)好(hao)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)閉(bi)合(he)磁(ci)環(huan)形(xing)成(cheng)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)，如(ru)罐(guan)型(xing)磁(ci)芯(xin)的(de)漏(lou)磁(ci)通(tong)就(jiu)明(ming)顯(xian)比(bi)E型的小很多。開關電源的連接線，電源線都應該使用具有屏蔽層的導線，盡量防止外部幹擾耦合到電路中。或者使用磁珠
、磁環等EMC元件，濾除電源及信號線的高頻幹擾，但是，要注意信號頻率不能受到EMC元件的幹擾，也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個開關電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性
，接縫處要符合EMC規定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關電源既不受外部電磁環境的幹擾也不會對外部電子設備產生幹擾。