开关电源电磁兼容的设计

开关电源电磁兼容的设计

胡海斌

广东美的白色家电技术创新中心有限公司广东省佛山市528311

摘要：本文从电磁兼容性的体系构成、开关电源电磁干扰的特征、概述电磁兼容、影响开关电源电磁兼容性能的主要因素以及开关电源的电磁兼容设计分析五个方面，介绍了开关电源电磁兼容的设计，希望可以为有需要的人提供参考意见。

关键词；开关电源；电磁兼容；设计

现如今，电子设备在很多领域都普遍应用，任何电子设备和开关电源都有密切的联系，这些电子设备在实际运行中会出现频谱较宽、密度较高的电磁信号，很多复杂的环境都要求电子设备应当具备较强的电磁兼容性，所以有关电磁兼容性设计是至关重要的。

一、电磁兼容性的体系构成

电磁兼容性，通常是由两个部分组成，一是电磁敏感性，二是电磁干扰。电子设备不仅要让设备自身对外造成的噪声降低，而且能够阻挡来源于外部的噪声。电子设备只有满足这些条件，才可以在同一时间使用，相互之间没有任何干扰。首先，电磁敏感性。主要是指在出现电磁骚扰的情况下，系统以及装置等等无法防止性能娇弱的能力，即抗干扰能力。其次，电磁干扰。主要是指电子设备产生的外出噪声。因此，综合以上来分析，电磁干扰与电磁敏感性不仅是对立的，而且是互相有联系的矛盾统一体。

二、开关电源电磁干扰的特征

在开关电源功率变换器中功率半导体器件的开关次数相当多，在高频下啊功率开关器件的通电、断电中往往会产生巨大的电磁干扰。相对于数字电路而言，其开关器件功率相当大，但是频率不能过高，所以开关电源电磁干扰通常都会呈现出很多特征，主要体现在以下几点：第一，开关电源电磁干扰干扰源的位置生死相当清楚的，具体集中在二级管以及功率开关器件上。第二，因为其是工作在开关状况的能源转换装置，其在电流以及电压方面都有相当高的变化率，造成很大的干扰强度。第三，一般来说，印刷线路板都采取手工布置，具有较强的随意性，这样就难以提取印刷线路板。

三、概述电磁兼容

国际电工委员会提出电磁兼容的定义是：电子设备的主要功能是电磁兼容，在电磁环境下电子设备可以体现出其功能，一般不会造成无法忍受的干扰。我国相关部门出台的电磁兼容标准中提出电磁兼容的定义是：在其电磁环境下系统或者设备在实际工作中不会出现问题，而且不会对此环境中的其他事物产生无法忍受的电磁骚扰能力。这就表示电磁兼容有以下几个层面的意思：第一，电子设备应该具备的阻挡电磁干扰能力；第二，此电子设备引起的电磁干扰要严格控制，不能超过标准的限度，不可以造成相同电磁环境中其他各项电子设备无法稳定运行；第三，不管什么类型的电子设备，都可以对其电磁兼容性进行准确测量。

电磁兼容性研究的领域通常包括多个部分，主要包括电磁兼容性的测试、电磁干扰的出现和传输以及电磁兼容的设计标准等等。[1]其研究对象也有一定的差异，一般有两种干扰，分别是自然干扰源以及人为干扰源。前者，自然干扰源主要包括电阻热噪声、太阳以及雷电等等。后者，人为干扰源主要包括手机、电网以及点火系统等等。在这个领域我国起步时间是相当吃的，但是也合理制定电磁兼容性的规范，尤其是在电动工具以及无线电等多方面都制定相应的测量规范和测量方式。

四、影响开关电源电磁兼容性能的主要因素

通常，对开关电源电磁兼容性能产生影响的因素具体表现在以下几点：第一，外部噪声影响开关电源，比如：利用电网传输进入开关电源的差模噪声、共模噪声干扰开关电源控制电路等等；第二，开关电源输进变流回路的非线性造成的电流波形畸变，造成的电流谐波分量污染电网；第三，开关电源的高频逆变回路出现的电磁噪声。开关电源类型多元化，根据电路结构，能够将其划分成直流变换时以及串联式；根据激励方法，能够将其划分成他人激励式和自我激励式；根据开关管的组合，能够将其划分成推挽以及单管等等。但是任何类型的开关电源，都是借助开关器件关和开的时间比对传输电压大小进行控制，普遍采用的控制方法包括两种，一是脉冲宽度调制，二是脉冲频率调制。[2]因为开关开关电源开关频率超过几十甚至几百千赫，电路的电压变化率以及电流都说是相当大的，所以高频整流器件以及开关器件的电流尖峰造成的谐波、高频电压器的电磁辐射造成的干扰等噪声都是相当强的电磁干扰源。这些电磁干扰信号随着开关频率的提升、输出功率的加大而显著加强，会利用电源线和差模与共模的方向向外面传导，也辐射到附近空间，威胁其他电子设备的安全稳定运行。开关电源工作原理简图如图1所示，表示开关电源中电磁噪声的出现和耦合渠道。

五、开关电源的电磁兼容设计分析

通常，制约开关电源干扰的方法有很多形式，比如：接地处理、改善良路以及屏蔽处理等等。[3]本文采取改善电路，采取吸收变压器以制约分布电容产生的危害，减少高频噪声；采取滤波电路等策略加强电源的抗干扰性，使开关电源的电磁兼容性得到显著提升，让其在相对复杂的电磁环境中可以正常运行。

（一）滤波器的设计

电磁干扰进入电子设备的主要渠道是电源线，在设备电源线入口位置将电网滤波器安装上，能够使电磁干扰传播渠道被切断。[4]此电源采取经过改善的滤波器。相对于常规的滤波器而言，增设瞬态抑制器以及差模扼流圈等等，而且在开关电源入口位置使用磁环将引线端套住，这样能够使共模干扰以及差模干扰得到抑制。

（二）逆变器的设计

开关电源造成电磁辐射的重要器件是逆变器，在高频率下逆变器的简化等效电路如图2所示。

绕组间的分布电容C1、C2让变压器初次级引起耦合，让初级高频噪声耦合转化到次级；通过分布电容C1、C2让变压器主回路与内部中出现高频振荡环流，让变压器功率消耗加大，而且出现高频电磁辐射。[5]在变压器实际设计过程中，不管是选择还是绕制绝缘材料，必须要尽可能降低每个部分的分布电容，而且通过将屏蔽层添加在初级和次级之间，使C1、C2可降低为0。因为高压电源变压器属于升压型，与电容C2相比之下，C1电容很少影响电路。为了降低次级分布电容C2的危害性，设计人员在设计变压器次级时，可以将其设计成一种双绕组，使用吸收变压器将绕组间分布电容的所有谐振能量向主电路转移。[6]此外，因为吸收变压器的出现，等同于将电阻分布设置在C2的两端，降低电流尖峰，电路处在阻尼状况下，以降低电磁辐射。

结语：

总而言之，开关电源电磁兼容设计的主要目的是让产品在某种电磁环境下稳定工作，换言之，电源产品必须要满足有关规定的抗干扰极限值要求，如果受到电磁骚扰，就会减少其使用性能，甚至影响电源产品的安全性。并且电源产品必须要满足有关规定的电磁极限值要求，绝对不能污染电磁环境，以更好地实现电磁兼容。

参考文献：

[1]鲁莉,邹云屏,陈伟.低压大电流直流开关电源电磁兼容设计研究[J].通信电源技术,2007(03):37-39.

[2]余海涛.开关电源电磁兼容设计与可靠性[A].中国电子学会可靠性分会.中国电子学会可靠性分会第十三届学术年会论文选[C].中国电子学会可靠性分会:中国电子学会电子制造与封装技术分会,2006:3.

[3]苗立江,王玉峰,李洪春.高压开关电源的电磁兼容设计[J].安全与电磁兼容,2005(02):76-77+92.

[4]王会立.开关电源的电磁兼容设计[J].电源技术应用,2003(04):152-155.

[5]骆云飞,张志浩.VICOR零电流开关电源的电磁兼容设计[J].国外电子元器件,1997(11):35-36.

[6]李珺.高频开关电源的电磁兼容设计[J].通信电源技术,1997(04):11-14.