开关电源的特性及电磁干扰产生的机理

发布时间:2020/7/25 17:58:34 访问次数:1512

XC17S10XLVOG8I开关电源以其体积小、重量轻、高性能、高可靠性等特点被广泛应用于通信系统、自动控制、家用电器等领域，特别是广泛应用于程控交换、光数据传输无线基站、有线电视系统及IP网络中，是信息技术设备正常工作的核心动力。但是，通信开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其开关器件工作在高频通断状态，由于高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰源，它产生的电磁干扰（EMI）信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。另外，通信开关电源要有很强的抗电磁干扰的能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压、电场、磁场、电磁波、静电放电、脉冲串、电压跌落、射频电磁场传导抗扰性、辐射抗扰性、传导发射、辐射发射等项目需要满足有关EMC标准的规定。

通信开关电源的特性及电磁干扰产生的机理

开关电源的基本特性有四点：

集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上；

能量转换装置工作于开关状态。因开关电源是工作于开关状态的能量转换装置，故其电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；

电源印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置。这种布置使其具有很大的随意性，增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预测评估的难度；

开关频率大，可从几万Hz到数兆Hz，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

开关电路产生的电磁干扰关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成，它产生的dv/dt是具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因有两个方面：一方面开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬问，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输人输出端，形成传导干扰。另一个方面脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

抑制开关电源产生的辐射向外部发散，为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响，应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入、输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露，且不易散热，结构成本大幅度增加等因素。

为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽效果，同时保障人身和设备的安全，应将系统与大地相连，即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题，又可提高电子产品的抗干扰能力。

为更好地抑制开关电源的电磁干扰，其印制电路板（PCB）的抗干扰技术尤为重要。为减少PCB的电磁辐射和PCB上电路问的串扰，要非常注意PCB布局、布线和接地。如减少辐射干扰是减小通路面积，减小干扰源和敏感电路的环路面积，采用静电屏蔽。而抑制电场与磁场的耦合，应尽量增大线间距离。

在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3种基本类型。地线设计应注意以下几点：

交流电源地与直流电源地分开。

功率地与弱电地分开。

模拟电路与数字电路的电源地分开。

尽量加粗地线。

对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于次谐波的带宽是基频带宽的倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。要在开关电源中采用扩频时钟信号，需要对该电源开关脉冲控制电路输出的脉冲信号进行调制，形成扩频时钟与传统的方法相比，采用扩频技术优化开关电源EMI既高效又可靠，无需增加体积庞大的滤波器件和繁琐的屏蔽处理，也不会对电源的效率带来任何负面影响。

电感和电容等元件组成滤波器，将输入电流波形进行移相和整形过程来实现提高功率因数的。而有源功率因数校正电路是依据控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形的原理来实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。两种方法均使功率因数提高，后者效果更加明显，但电路复杂。

随着通信开关电源不断向高频化发展，其抗干扰问题显得越发重要。在开发和设计开关电源过程中，如何有效抑制开关电源的电磁干扰，同时提高开关电源本身对电磁干扰的抗干扰能力是一个重要课题。除本文中分析的几种主要方法外，还可以采用光电隔离器、LSA系列浪涌吸收器、软开关技术等。几种抗干扰措施既相互独立又相互联系，在实际设计时，应全面考虑开关电源的各种电磁干扰，选用多种抑制电磁干扰的方法加以综合利用，才能达到良好的抗干扰效果。