网络教育学院

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《电源技术》课程设计

题目：高频开关电源的干扰及抑制

学习中心：云南保山奥鹏学习中心

层次：高起专科

专业：电力系统自动化技术

年级： 2012年 9月秋季

学号： 121107228992

学生：赵德正

辅导教师：刘芳

完成日期： 2014年 3 月 2 日

内容摘要

总则：围绕开关电源的工作原理，分析开关电源工作过程中产生电磁干扰的原因及抑制措施。

撰写要求：

1、介绍开关电源的基本原理、干扰来源及抑制措施。

1.1 开关电源本身是一个很大的噪声源（即干扰源），在它不断地向高频化、小型化发展的过程中，其噪声影响也在增大。近年来，电子设备的EMI抑制已成为人们关注的焦点，开关电源是市场上一种颇受欢迎的电源。在电子产品的研发过程中，开关电源往往被直接利用作为整个电子系统的一部分，然而，由于这种电源高频率的开关动作，将产生大量的传导性电磁干扰。整个问题在产品设计阶段如果处理不好，将对开关电源乃至整个电子系统造成不利影响。

高频开关电源因具有体积小、重量轻、高效能等特点被广泛应用于电气电子系统中。但是，由于开关电源工作频率在几十千赫兹到数兆赫兹，会产生很高的电压、电流变化率（即高du/dt和di/dt），导致开关电源产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号很宽的频率范围，不仅对电网造成污染，直接影响其他用电设备的正常工作，而且辐射的电磁波对空间造成电磁污染。目前，抑制开关电源的电磁干扰，使开关电源符合EMC标准已成为开关电源设计者越来越关注的问题。

高频开关电源的基本原理框图如图1所示。

交流电源经过一次整流滤波后变成脉动直流电，然后送到DC/DC变换器（变换器由高频变压器和二次整流滤波器组成），再通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将直流加到高频变压器初级上；高频变压器次级感应出高频电压，经整流滤波后输出供给负载；输出部分经过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比以达到稳定输出的目的。

高频开关电源一般采用桥式功率转换电路。工作时通过开关管导通来产生高频脉冲波，然后通过高频变压器转换为所需的直流电压。考虑到目前大量应用的高频开关电源都是采取AC/DC-DC/DC级联的形式，因此图二所示高频开关电源结构具有较强的代表性，开关管多采用MOS-FET或ICBT。

高频开关电源的电磁干扰分析作为一种有害的电磁效应，EMI的发生需要具备三个条件：第一，要有发出电磁干扰的设备；第二，要有接收电磁干扰的设备；第三，电磁干扰要有传播的途径。这就构成了电磁干扰的三要素：干扰源、敏感体和干扰耦合途径。高频开关电源的EMI特点: 1、作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很大，产生的干扰强度大；2、干扰源主要集中在功率开关器件及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；3、开关频率不高(从几千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；4、印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有更大的随意性，这增加了PCB分部参数的提取和近场干扰预估的难度。印刷电路板布线不当也是引起电磁干扰的主要原因；5、与信号处理电路中显露阻抗匹配的情形不同，开关电源的干扰源阻抗与网侧阻抗不但不匹配，而且随阻抗变化的，这给EMI滤波器的舍弃带来了一定困难。高频开关电源产生电磁干扰的最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高du/dt，他们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。整流电容充电放电、开关管和输出整流二极管的电压、电流在高频工作时的快速切换都是这类电源干扰源，他们通过电源线以共模或差模方式向外传输，同时还向周围空间辐射电磁能量。

1.2、分析开关电源产生电磁辐射干扰的原因及造成的危害。

由于高频开关电源的开关管工作频率很高，开关管的电压、电流切换速度很快，其传导干扰和辐射干扰也非常强。开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路，该环路包含有典型的梯形电流波形，因而具有高频谐波分量（典型的数值在数兆赫兹范围），这会产生

较大的辐射干扰。如果一次整流回路的滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电网中去。

另一方面，当原来导通的开关管关断时，由于电流突变，变压器绕组漏感所产生的反电动势U=-Ldi/dt会叠加在关断电压上，因而会在变压器初级线圈的两端出现较高的尖峰电压和浪涌电流，其所含有的高次谐波会反馈到电网形成谐波干扰，同时这些谐波还将以辐射方式干扰其他设备的工作。

3、论述开关电源电磁干扰的抑制方法。

要抑制高频开关电源的电磁干扰，可从以下三个方面入手：1）减少干扰源产生的干扰信号；2）切断干扰信号的传播途径；3）增强敏感设备的抗干扰能力。因此，高频开关电源电磁干扰控制技术主要有：EMI滤波、电路措施、屏蔽和印制电路板抗干扰技术等。

3.1滤波

EMI滤波器的主要目的是在150KHz—30MHz的频段范围内获得较高的插入损耗，但对频率为50Hz工频信号不产生衰减，使交流电压、电流顺利通过。任何电源线上的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器（如图3所示），在其外部加装屏蔽机壳，防止对周围设备产生干扰。在电源输入端接上滤波器，可以有效抑制来自电网的噪声对电源本身的危害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在电源输出端接输出滤波器，可以加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，抑制差模噪声。

3.2减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容

开关集电极和散热片之间的绝缘垫可以选用介电常数小的材料，并采用静电屏蔽法加以处理，即在绝缘垫中间夹一层铜箔作为静电屏蔽层，接在直流OV地上，这样将大大减少集电极和散热片之间的电场耦合。另一方面，为减少开关管的发射极与集电极间的耦合电容，可在开关管的发射极与集电极间加RC吸收回路，吸收变压器初级产生的浪涌电压。

3.3屏蔽

屏蔽的目的是使产生的电磁干扰不向外部辐射。采用屏蔽的方法解决电磁干扰问题的优点是不影响电路的正常工作。屏蔽技术分为对产生电磁干扰部位的屏蔽和对受电磁干扰影响的元器件的屏蔽。在高频开关电源中，产生电磁干扰的元器件是指变压器、整流二极管、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使电磁波产生衰减。对抗电磁干扰较弱的元器件，应采取相应的屏蔽措施。此外。为使电磁干扰不向外部辐射，可将开关电源整体屏蔽，使向外辐射的电磁波衰减。然而，屏蔽体的焊接处、电源线的输入输出端子等处，均易产生电磁泄漏，且不易散热，结构成本将大幅度增加。因此，采用整体屏蔽时应充分考虑这些因素。

3.4印制电路板（PCB）

印制电路板的布局、布线及接地摇合理，以减小PCB板的电磁辐射和电路间的串扰。可采取以下措施：1）减小高频环路的面积，尽量缩短高频信号线。2）分别建立交流、直流和信号的接地通路。电源接地与信号接地摇相互隔离，减少地线间耦合；电源接地通路，尽可能直接接到阻抗最小的接地导体上。3）开关电源的输入输出线应尽量远离电路中的信号线，输出的直流电源线最好用双绞

线。

4、总结。

针对高频开关的电磁兼容，从传到和辐射两个方面着重分析了开关电源产生电磁干扰的原因，研究通过减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播途径，增强敏感设备的抗干扰能力三个方面来抑制产生的电磁干扰，提出了提高高频开关电源电磁兼容性的具体措施。

高频开关电源由于存在体积小、重量轻、高效、节能等优点已被广泛应用于各个领域，但高频开关电源固有的高频辐射和传导效应造成的电磁干扰对其使用的影响已成为人们关注的热点。本文在分析高频开关电源电磁干扰产生机理的基础上，提出了相应的抑制措施及需要注意的问题，以有效地提高开关电源的电磁兼容性和稳定性。