开关电源电磁干扰及其抑制技术研究

刘玉成

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

0 引 言

在电子信息技术高速发展的今天，开关电源由于具有较高的控制效率和更好的稳定性，被广泛应用于各领域。实际使用开关电源时，会频繁出现电磁干扰问题，影响了开关电源的使用体验。需相关学者专注相关抑制技术的研究，以解决开关电源电磁干扰问题，推动开关电源的可靠、稳定应用。

1 分析电磁干扰存在的危害

如果电磁干扰在电源内部形成，并可直接辐射到其他线路，则必然导致电网和其他电气设施无法正常工作，影响运行质量。同时，电磁辐射不仅会破坏周边环境，危害动植物和人类的健康，而且容易造成动植物基因突变，从而引发不良健康结果的出现，甚至危及生命。此外，电磁辐射可极大地影响人体的中枢神经系统功能，从而造成人体出现植物神经或者交感神经失调等症状。电磁辐射也可直接影响大功率电子设施的正常使用，尤其是高频设备。

2 开关电源电磁干扰形成原因

2.1 高频变压器产生的电磁干扰

通常变压器初级线圈、开关管及滤波电容是高频开关电源的主要组成部分。高频开关电源工作期间，易出现高频开关电流环路，并在环路中出现一定量级的空间辐射。如果电容量不足或者电容滤波性能存在瑕疵，则高频电流会在电容高频阻抗的作用下传输至交流电源，从而引发传导电磁干扰现象，不利于开关电源的正常工作[1]。

2.2 开关管形成的电磁干扰

开关管是开关电源中最关键部件，电磁干扰易在开关管中形成。开关电源主要是通过开关管的整流作用来进一步提高开关电力的频率，随后在整流谐波的作用下实现电路中电路进程的处理，并确保直流稳定电压的正常输出。通常传统电压开关存在较短的启动时间，通过小电荷的功率管实现小电荷的存储，但是会在开关管动作期间形成较强的谐波干扰[2]。此外，断开、连接及切换高频电压期间，会形成高频电流，进而导致电流干扰，使开关电源无法可靠工作。

2.3 整流电路形成的电磁干扰

整流电路是开关电源电路中的关键组成部分。接通整流电路后，其中的二极管会正向导通，二极管两端的电压会显著上升，二极管的PN结电荷会大量累积，会在一定程度上增加正向电流的数值。同时，随着变压器次级线圈开关管高频率的转换，会在极短时间内导致二极管的PN结出现高频率变化，引发电路电流反转现象，导致高频电流出现较大程度的衰减和振荡，进而造成电磁干扰现象，不利于开关电源工作稳定性的提升。

2.4 交流输入回路形成的干扰

当无工频变压器开关电源的输入端整流管处于反向恢复状态时，会形成高频衰减振荡，进而造成干扰问题。此外，通常开关电源工作期间，谐波干扰和尖峰干扰能量会通过输入线路和输出线路逐渐向外扩散，由此形成的干扰类型被称为传导干扰。

3 开关电源的电磁干扰抑制技术的研究

3.1 屏蔽技术

电磁屏蔽技术作为重要的物理屏蔽手段，可在一定程度上抑制电磁干扰的出现。电磁屏蔽的应用原理是利用屏蔽体控制出现的电磁能量，以降低电磁能量。电磁屏蔽技术在开关电源中的应用需注意以下内容。（1）屏蔽产生电磁干扰的元器件；（2）屏蔽遭受电磁干扰的元器件。通常变压器、电感器及功率器件等是开关电源中常遭受电磁干扰的元器件，需对其予以相应的电磁屏蔽，以保证元器件的正常工作。例如，将受电磁干扰的元器件用铁板或钢板等予以围绕，以减少电磁干扰的概率[3]。

3.2 扩频调制技术

一般电磁干扰能量的强弱与其频率呈正比关系，如果降低频率，则电磁波能量呈下降状态。扩频调制技术可有效地将谐波能量扩散至更宽的频率范围，使能量在每个频率带均显著减小，以降低电磁干扰强度。此外，为提升抑制电磁干扰的效果，建议将扩频时钟信号加入到开关电源，并把电磁信号从开关电路中输出。通过实际应用发现，扩频调制技术可显著抑制电磁干扰，可靠性强，并且无需添加其他滤波设备和屏蔽设备。

3.3 滤波抑制技术

为有效抑制高频开关电源中的电磁干扰现象，滤波抑制技术被广泛应用。选择滤波器时，需注意以下几方面。（1）准确了解工作频率和抑制频率，若两者相差不大，则为准确区分两种频率，滤波器需使用频率特性较大的形式。（2）需确保滤波器可在高压工况下稳定工作。（3）尽量选择额定电流较大的滤波器，以控制运行中的工作温度，保证滤波器电气元件的稳定工作条件。（4）滤波器要配备屏蔽结构，并且本体要和屏蔽箱盖存在较好的电接触。（5）滤波器需具备可靠的工作性能，以免因滤波器故障而导致电磁干扰。

3.4 PCB抑制技术

PCB抑制技术的目的是最大限度地降低PCB电磁辐射，并解决PCB电路间存在的串联干扰问题。PCB抑制技术包括布局设计、布线设计及接地设计。布局设计与电气设计存在相似流程。设计时，要确保PCB的规格符合项目要求，同时也要按照合理的长宽比来设计电路板的规格，以提升机械强度[4]。此外，考虑到特殊元器件的位置，需对元器件的布局予以合理设计

3.5 软开关抑制技术

软开关移植技术的应用，可使开关电路实现零电流的状态。软开关抑制技术是以硬开关为基础发展起来的，但是与硬开关存在很大不同。硬开关在开关电路中的电流和电压不是处于零状态，而是存在叠加情况，并且电压和电流的变化非常显著，存在较明显的脉冲，从而引发程度较大的开关噪声。软开关抑制技术中加入了电容和电感等谐振元件，一定程度上抑制了电压、电流的叠加，有助于进一步降低开关噪声。此外，软开关抑制技术中引入了较多现代化技术，如谐振变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器及零转换PWM变换器。其中，PWM变换器是基于谐振变换器对谐振网络进行叠加，从而使电路中的电流和电压处于零状态。需注意，为提升软开关抑制技术的使用效果，还需增添辅助电路。

3.6 接地技术抑制干扰

应用接地抑制干扰技术时，需合理选择接地点，以进一步提升电磁干扰的抑制效果。如果接地存在问题，则势必导致较大程度地干扰，从而使电子测量仪器设备难以有效工作。例如，对于电缆的屏蔽层和屏蔽罩，要合理选择接地点，以提升抑制电磁干扰的能力。实际工作中，测量工作要使用一个或者多个仪器，需科学选择接地点，以更好地抑制电磁干扰。

4 结 论

为有效抑制开关电源形成的电磁干扰，有必要加大电磁干扰抑制技术的研究，并加大电磁干扰抑制技术的研发投入。