開(kāi)關(guān)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(méi)有PFC功能的輸入級(jí)，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流i成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染，對(duì)電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染以及實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，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

 

　　1.3 開(kāi)關(guān)管及變壓器產(chǎn)生的干擾

 

　　主開(kāi)關(guān)管是開(kāi)關(guān)電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開(kāi)關(guān)管的工作頻率升高，開(kāi)關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開(kāi)關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。

 

　　開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程中，由初級(jí)濾波大電容、高頻變壓器初級(jí)線圈和開(kāi)關(guān)管構(gòu)成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會(huì)產(chǎn)生較大的輻射噪聲。開(kāi)關(guān)回路中開(kāi)關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器初級(jí)線圈，它是一個(gè)感性的負(fù)載，所以，開(kāi)關(guān)管通斷時(shí)在高頻變壓器的初級(jí)兩端會(huì)出現(xiàn)尖峰噪聲。輕者造成干擾，重者擊穿開(kāi)關(guān)管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。

 

　　理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過(guò)。而實(shí)際二極管正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開(kāi)關(guān)電源中一個(gè)主要的干擾源?？梢酝ㄟ^(guò)在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器，以抑制其反向恢復(fù)噪聲。

 

 

　　開(kāi)關(guān)電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開(kāi)關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過(guò)變壓器初、次級(jí)之間的分布電容以及開(kāi)關(guān)電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)?。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來(lái)減小繞組間的分布電容。而開(kāi)關(guān)電源與散熱器之間的分布電容與開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的分布電容。
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　　如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性［2］，對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開(kāi)關(guān)電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開(kāi)關(guān)電源中的輻射干擾源。

 

　　
圖4 高頻工作下的元件頻率特性

 

　　2 開(kāi)關(guān)電源EMI抑制措施

 

　　電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源工作在高電壓大電流的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，其引起的電磁兼容性問(wèn)題是比較復(fù)雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

 

　　2.1 抑制開(kāi)關(guān)電源中各類(lèi)電磁干擾源

 

　　為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開(kāi)關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)。PFC技術(shù)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(shí)也提高了開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)。

 

　　軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減小開(kāi)關(guān)器件損耗和改善開(kāi)關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開(kāi)關(guān)管或高頻變壓器初級(jí)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復(fù)問(wèn)題可以通過(guò)在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來(lái)抑制，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形 BH曲線的磁性材料制成的。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(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線；當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。

 

　　
圖5 飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)電流中的應(yīng)用

 

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　2.2 切斷電磁干擾傳輸途徑——共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

 

　　電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖6所示。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。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(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

 

　　共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無(wú)損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過(guò)共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加，使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。L1的電感量與EMI 濾波器的額定電流I有關(guān)，具體關(guān)系參見(jiàn)表1所列。

 

　　表1 電感量范圍與額定電流的關(guān)系［4］

 

 

　　實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問(wèn)題會(huì)存在電感差值，不過(guò)這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)∏型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

 

　　除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來(lái)濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及 CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計(jì)算電容 CY漏電流的公式是

 

　　ID=2πfCYVcY

 

　　式中：ID為漏電流；

 

　　f為電網(wǎng)頻率。

 

　　一般裝設(shè)在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器，其交流漏電流應(yīng)《1mA；若為裝設(shè)在固定位置且接地的設(shè)備上的電源濾波器，其交流漏電流應(yīng)《3.5mA，醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2～33nF。電容類(lèi)型一般為瓷片電容，使用中應(yīng)注意在高頻工作時(shí)電容器CY與引線電感的諧振效應(yīng)。

 

　　差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成，最簡(jiǎn)單的就是一只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），只要電容選擇適當(dāng)，就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過(guò)它，它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無(wú)影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過(guò)大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類(lèi)型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

 

　　
圖6 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器［3］

 

　　2.3 使用屏蔽降低電磁敏感設(shè)備的敏感性

 

　　抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽?？梢杂脤?dǎo)電性能良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。為了防止變壓器的磁場(chǎng)泄露，使變壓器初次級(jí)耦合良好，可以利用閉合磁環(huán)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(kāi)關(guān)電源的連接線，電源線都應(yīng)該使用具有屏蔽層的導(dǎo)線，盡量防止外部干擾耦合到電路中?；蛘呤褂么胖?、磁環(huán)等EMC元件，濾除電源及信號(hào)線的高頻干擾，但是，要注意信號(hào)頻率不能受到EMC元件的干擾，也就是信號(hào)頻率要在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過(guò)上述措施保證開(kāi)關(guān)電源既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會(huì)對(duì)外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

 

　　3 結(jié)語(yǔ)

 

　　如今在開(kāi)關(guān)電源體積越來(lái)越小，功率密度越來(lái)越大的趨勢(shì)下。EMI/EMC問(wèn)題成為了開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是一個(gè)最容易忽視的方面。開(kāi)關(guān)電源的 EMI抑制技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。實(shí)踐證明，EMI問(wèn)題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好。

 

　　通過(guò)干擾源的分析，噪聲類(lèi)型的講解，原理圖的解析和高頻元器件特性的講解，是不是對(duì)抑制開(kāi)關(guān)電源EMI有了更深層次的理解呢？