電磁幹擾的中心議題：

• 開關電源的幹擾源分析
• 開關電源EMI抑製措施

電磁幹擾的解決方案：

• 抑製各類電磁幹擾源
• 共模
  
  
  
  、差模電源線濾波器設計
• 使用屏蔽降低電磁設備敏感性
  

摘要：開kai關guan電dian源yuan由you於yu本ben身shen工gong作zuo特te性xing使shi得de電dian磁ci幹gan擾rao問wen題ti相xiang當dang突tu出chu。從cong開kai關guan電dian源yuan電dian磁ci幹gan擾rao的de模mo型xing入ru手shou論lun述shu了le開kai關guan電dian源yuan電dian磁ci兼jian容rong問wen題ti產chan生sheng的de原yuan因yin及ji種zhong類lei，並bing給gei出chu了le常chang用yong的de抑yi製zhi開kai關guan電dian源yuan電dian磁ci幹gan擾rao的de措cuo施shi
、濾波器設計及參數選擇。

0引言

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。

1開關電源的幹擾源分析

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、waibudiancifusheduikaiguandianyuankongzhidianludeganraodeng。lingyileishikaiguandianyuanzishenchanshengdediancizaosheng
，rukaiguanguanhezhengliuguandedianliujianfengchanshengdexiebojidiancifusheganrao。

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/EMCshejishiyifangmianyaofangzhikaiguandianyuanduidianwanghefujindedianzishebeichanshengganrao，lingyifangmianyaojiaqiangkaiguandianyuanbenshenduidiancisaoraohuanjingdeshiyingnengli。xiamianjutifenxikaiguandianyuanzaoshengchanshengdeyuanyinhetujing。

1.1 電源線引入的電磁噪聲

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-mode Interference）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-mode Interference）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）。

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、kaiguanguanzuchengdehuiluliutong。youdengxiaomoxingkezhi，gongmoganraodianliubutongguodixian
，ertongguoshurudianyuanxianchuanshu。erchamoganraodianliutongguodixianheshurudianyuanxianhuiluchuanshu。suoyi，womenshezhidianyuanxianlvboqishiyaokaolvdaochamoganraohegongmoganraodequbie，zaiqichuanshutujingshangshiyongchamohuogongmolvboyuanjianyizhitamendeganrao，yidadaozuihaodelvboxiaoguo。
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1.2  輸入電流畸變造成的噪聲

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
、峰值很高的周期性尖峰電流。這 zhongjibiandedianliushizhishangchulebaohanjibofenliangyiwaihaihanyoufengfudegaocixiebofenliang。zhexiegaocixiebofenliangzhurudianwang，yinqiyanzhongdexiebowuran
，duidianwangshangqitadedianqizaochengganrao。weilekong 製開關電源對電網的汙染以及實現高功率因數
，PFC電路是不可或缺的部分。

1.3  開關管及變壓器產生的幹擾

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、電流的切換速度 jiakuai
，qichuandaoganraohefusheganraoyesuizhizengjia。ciwai，zhukaiguanguanshangfanbingliandeqianweierjiguandefanxianghuifutexingbuhao
，huozhedianyajianfengxishoudianludecanshuxuanzebudangyehuizaochengdianciganrao。

開關電源工作過程中
，由初級濾波大電容、高頻變壓器初級線圈和開關管構成了一個高頻電流環路。該環路會產生較大的輻射噪聲。開關回路中開關管的負載 是shi高gao頻pin變bian壓ya器qi初chu級ji線xian圈quan，它ta是shi一yi個ge感gan性xing的de負fu載zai，所suo以yi，開kai關guan管guan通tong斷duan時shi在zai高gao頻pin變bian壓ya器qi的de初chu級ji兩liang端duan會hui出chu現xian尖jian峰feng噪zao聲sheng。輕qing者zhe造zao成cheng幹gan擾rao，重zhong者zhe擊ji穿chuan開kai關guan管guan。主zhu變bian壓ya器qi繞rao組zu之zhi間jian 的分布電容和漏感也是引起電磁幹擾的重要因素。

1.4    輸出整流二極管產生的幹擾

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結內積累的 dianhejiangshifangbingxingchengyigefanxianghuifudianliu
，tahuifudaolingdiandeshijianyujiedianrongdengyinsuyouguan。fanxianghuifudianliuzaibianyaqilouganheqitafenbucanshudeyingxiangxiajiangchanshengjiaoqiangliedegaopinshuaijianzhen 蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢複噪聲也成為開關電源中一個主要的幹擾源。可以通過在二極管兩端並聯RC緩衝器，以抑製其反向恢複噪聲。

1.5    分布及寄生參數引起的開關電源噪聲

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、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。而開關電源與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方 式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。

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中的頻率特性曲線可以發現

，當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為了保證開關電源在高頻工作時的穩定性，設計開 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) 變成一根發射線。也就成為了開關電源中的輻射幹擾源。
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2    開關電源EMI抑製措施

電磁兼容的三要素是幹擾源、耦合通路和敏感體，抑製以上任何一項都可以減少電磁幹擾問題。開關電源工作在高電壓大電流的高頻開關狀態時，其引起的電 磁兼容性問題是比較複雜的。但是，仍符合基本的電磁幹擾模型，可以從三要素入手尋求抑製電磁幹擾的方法。

2.1    抑製開關電源中各類電磁幹擾源

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技術使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正 成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時也提高了開關電源的功率因數。

ruankaiguanjishushijianxiaokaiguanqijiansunhaohegaishankaiguanqijiandiancijianrongtexingdezhongyaofangfa。kaiguanqijiankaitongheguanduanshihuichanshenglangyongdianliuhejianfengdianya
，zheshikaiguanguanchanshengdianciganraojikai 關損耗的主要原因。使用軟開關技術使開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換可以有效地抑製電磁幹擾。使用緩衝電路吸收開關管或高頻變壓器初級線圈兩端的尖 峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。

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BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區並很容 易進入飽和。實際使用中

，在輸出整流二極管導通時
，使飽和電感工作在飽和狀態下，相當於一段導線；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。

2.2    切斷電磁幹擾傳輸途徑——共模
、差模電源線濾波器設計

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
、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中 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。

實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)共(gong)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。共模電感的差值電感與電容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），隻要電容選擇 shidang，jiunengduigaopinganraoqidaoyizhizuoyong。gaidianrongduigaopinganraozukangshendi，gulianggendianyuanxianzhijiandegaopinganraokeyitongguota

，taduigongpinxinhaodezukanghengao，guduigongpinxinhaodechuanshuhaowu yingxiang。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。 2.3    使用屏蔽降低電磁敏感設備的敏感性

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 初次級耦合良好，可以利用閉合磁環形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明顯比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。

3    結語

如今在開關電源體積越來越小，功率密度越來越大的趨勢下。EMI/EMC問題成為了開關電源穩定性的一個關鍵因素
，也是一個最容易忽視的方麵。開關 電源的EMI抑製技術在開關電源設計中占有很重要的位置。實踐證明，EMI問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。