试论开关电源的电磁干扰

引言

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前，常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两类。开关电源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达70%〜90%,比普通线性稳压电源效率提高了近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可以采用体积较小的滤波元件和散热器。

开关电源以其体积小、功率因数较大等诸多优点，而在通信、控制、计算机等领域具有广泛的用途。但是，由于其同时会产生电磁干扰，因而在一定程度上限制了开关电源的使用。

电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指电子、电气设备或系统的一种工作状态，在这种工作状态下，它们不会因为内部或彼此之间存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。

电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)则是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰。按频带分，可分为宽带干扰与窄带干扰。传导干扰又可分为共模干扰和差模干扰。辐射干扰也可分为共模干扰和差模干扰。

1  开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明。

1.1  二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化（di/di）。

1.2  开关管工作时产生的谐波干扰

一般情况下，功率开关管在导通时，都会流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

1.3  交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。

开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

1.4  其他原因

元器件的寄生参数,开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性,PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

经过20多年的发展，开关电源现在已经大量投放市场。由于开关电源通常具有高功率密度、高效率等优点，目前已经广泛应用在计算机、电视机、通信设备、控制装置等设备之中。随着功率半导体器件，如MOSFETJGBT的发展和开关技术的进步，开关电源的开关频率和功率密度不断上升，这些都导致开关电源内部的电磁环境越来越恶劣，同时对周围的电子设备及电源本身的正常工作造成了威胁。因此，降低开关电源的EMI成为开关电源设计中的重要课题之一。

在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分（DC/DC部分）；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个PCB上。前者在多数情况下都是干扰源;后者则属于弱电部分，是敏感设备。PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，因而增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度，因而控制模块可能会受到干扰而不能正常工作。开关电源的开关频率不是很高，其产生的辐射干扰主要在其附近。由于开关频率的提高将使体积减小、重量减轻，因而开关频率的进一步提高，使得辐射干扰变得更为严重。与信号处理电路中线路阻抗匹配的情况不同，开关电源的干扰源阻抗与网络不仅不配合，而且随工况变化，这无疑给EMI滤波器的设计带来了一定的困难。同时EMI滤波器中的L、C组件还必须受到很大的无功功率,这些降低了开关电源的整体效率，增大了开关电源的体积。另外，开关电源EMI滤波器在高频段难以达到设计要求也是一个重要的问题。

1.5  开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高（从几十千赫兹到数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

2  EMI形成的三个因素

2.1  电磁干扰源

电磁干扰源是指会产生EMI的组件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。电磁干扰源分为自然干扰源和人为干扰源。雷电放电，沙漠地区的沙暴和尘暴产生的局部EMI等。天电干扰源以及电阻等电子元器件产生的热噪声等属于自然干扰源。常见的人为干扰源包括电力线干扰源、旋转机械干扰源、点火系统干扰源和功能干扰源。

2.2  敏感设备

敏感设备指的是可能对电磁干扰发生回应的设备。

2.3  耦合路径或称为耦合通道

耦合路径指的是能把能量从干扰源耦合（或传输）到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介。传导干扰和辐射干扰就是按照耦合路径来进行划分的。传导干扰是通过导线进行传播的，耦合干扰是通过“场”进行传播的。因此，分析传导干扰使用“电路”理论,而分析辐射干扰就必须采用电磁场理论。

由此可见，要消除电磁干扰，可以采取去掉干扰

源、切断干扰路径以及降低敏感设备的敏感度这三种办法中的一种即可。

图1所示为EMI形成的三个因素。

图1    EMI形成的三个因素

3  EMC相关标准简介

我国的EMC标准和规范制度工作开展较晚。1966年，我国制定了第一个无线电干扰标准JB854-66“船用电气设备无线电干扰端子电压测量方法与允许值气近年来，我国积极借鉴国际标准，制定了一系列EMC的标准和规范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法”，GJB1001—90“超短波辐射测量方法”等。

大多数国家的安全和EMC标准通常是合在一起的。CE认证（即欧洲共同体认证）就是一个例子。另一个例子是CCC认证（中国强制认证）。大体上说，在相关地区销售的产品必须有这些认证标志，并被认为是同时符合安全和EMC标准的。这些安全认证越来越被市场视为产品质量的标志。一般电源工程师几乎可以只考虑欧洲EMI标准中的EN550022C针对IT设备）。该标准最初（实际上沿用至今）被称为CISPR22,它是我们应特别重视的标准。

4  实施电磁兼容性的方法

在电子技术的发展过程中，出现了三种实施电磁兼容性的方法。

4.1  问题解决法

该方法是先进行研制，最后根据研制成的设备和系统在联试中出现的EMI问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。这种办法十分落后，因为系统已经装配好，再去解决EMI问题是十分麻烦的事情。为了解决问题，可能要大量拆卸和修改，严重的也许还要重新设计。这会造成大量的人力、物力浪费，延误系统开发周期。

规范法

规范法是按颁布的电磁兼容性标准和规范进行设备和系统设计制造。该方法在一定程度上能预防EMI问题的出现，比用问题解决法更为合理。但由于标准和规范不可能是针对某个设备系统制定的，因此,企图解决的问题不一定是真正存在的问题，只是为了适应规范而已。另外，规范是建立在电磁兼容实践经验基础上的，没有进行EMI的分析和预测，因而往往导致过多的预防储备，可能使系统成本增加。

系统法

系统法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电磁兼容性预测和分析。系统法从设计开始就预测和分析设备的电磁兼容性，并在设备或系统设计、制造、组装和实验过程中不断对其进行电磁兼容性预测分析。如果预测结果表明存在不兼容问题，则可修改设计后再进行预测，直至预测结果表明完全兼容，才进行硬件生产。

5  目前抑制干扰的几种措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备，因而抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如，功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰。解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。

为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响,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。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。

在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”。因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面（底板或多层印制板电路的导电平面层等）作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。

滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如，在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。

EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施,可以滤除多种原因产生的传导干扰，具体实现部分可查阅相关文献。

6  改进措施和建议

EMI指一个器件或系统产生的电磁噪声引起另一个器件或系统不能进行正常工作。EMC指设备（系统、分系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由于受到处同一电磁环境中的其它设备的电磁发射而导致或遭受不必要的降级;它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。电磁敏感度（ElectromagneticSusceptibility,EMS）是指在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。还有诸如辐射敏感度、传导敏感度、电磁兼容裕量等专用术语。

6.1  辐射噪声处理

首先检査每个进入或者离开电源的电线（包括功率和信号）是不是与其返回线配对，也就是所谓的差分走线。“配对”其实就是在走线的过程中信号线和其对应的返回线非常靠近，因为产生的噪声直接与信号线的环路面积有关，通常采用双绞线可以使面积和噪声最小。最糟糕的就是将单根信号线连接到某个仪器上。正确的方法应该是采用差分走线，将信号线和相应的地线一起引出。另一个简单的方法就是看外壳有没有密封，电源外壳周围有金属层，通过将系统放入EMI密封的外壳中控制辐射后，唯一的辐射源是进入或离开外壳的电源和信号线。

由于电源线的传导噪声需要控制，这些措施也可以控制辐射噪声。一般情况下会考虑对信号线使用滤波技术，从带有高频信号的信号线开始，如数字时钟。但是由于电源内部的噪声耦合，静态信号线也有可能引起辐射问题，当这些静态信号线到达其出口（入口）途中，不同器件向它辐射，它也会耦合到噪声，当其离开外壳时就成为一个辐射天线，因而在大多数情况下，应该对所有信号线都采用带滤波器的连接器。从实用的角度讲，只要电源的外壳是金属的，具体的材料没有太大的影响。由于成本的问题,外壳大部分采用铝。当出现EMI问题时，可以尝试使用Mu金属（一种镣铁合金，77%的保，15%的铁，还有一些铜和钥）外壳。它可以屏蔽低频磁场，但如果已经考虑了功率线和信号线的辐射问题,就没必要采用这种材料。

6.2  传导噪声处理

传导噪声通常分为共模噪声和差模噪声。共模噪声一般指相线、中线与地线之间形成的干扰，噪声大小相等，相位相同；差模噪声值相线与中线之间形成的干扰,噪声大小相等，相位相反。传导噪声的抑制通常采用开关电源EMI滤波器，其中的共模电容、差模电容、共模扼流圈以及铁氧体磁环经过一定的组合可以很好地抑制共模、差模噪声。

6.3  铁氧体磁珠的应用

铁氧体磁珠具有很好的高频特性，甚至在100MHz以上，其阻抗随频率的增加而增加。但是，在很小的直流电流下它就会饱和一这个参数一些制造商没有标注。因此，对大部分应用而言，磁珠对输入噪声基本没有任何作用。在一些设计中，有时将磁珠用在MOSFET的门极驱动（或漏极）中。如果用在门极驱动，方法不好，通过降低MOSFET的驱动速度来降低噪声，直接导致损耗的上升。如果用在漏极，通常效果不明显，因为它在小电流下就已经饱和了。如果希望用来阻止在开始的几十个纳秒的时间内电流流过（如同步整流器），然后让电感饱和，这样就不会在功率路径中增加电感量，在漏极串入一个

磁珠可能有效果。就算这样，储存在磁珠内的能量必须每个周期被消耗掉或者进行处理，就像变压器的漏感中的能量一样。

铁氧体抑制元件通常应当安装在靠近干扰源的地方，对于输入/输出电路，应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器，除了应选用高磁导率的有耗材料外，还要注意其应用场合。它们在线路中对高频分量呈现的电阻约为十至几百欧姆，因而在高阻抗电路中的作用不是很明显，相反,在低阻抗电路（如功率分配、电源或射频电路）中使用效果很好。

PCB布局

PCB板上元器件的布局不当是引发干扰的重要因素。元器件布局首先应满足系统的机械结构进行定位，把所有严格定位的器件（如变压器、传感器、散热器、显示器等）放好并锁定。一些质量较大的器件不要直接安装在PCB上，而需要用支架并安装在机壳上。但从电磁兼容性考虑，元器件的布局需遵循一些共同的原则。对于一些敏感性器件例如锁相环，对噪声干扰特别敏感，可以在其周围的电源铜箔上蚀刻出马蹄形绝缘沟槽。连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定，所有连接器最好放在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，以便减少共模电流辐射;I/O驱动器应紧靠连接器，避免I/O信号在板上长距离走线，耦合不必要的干扰信号。

当高速数字集成芯片与连接器之间没有直接的信号交换时，高速数字集成芯片应安排在远离连接器处;否则，高速数字信号有可能通过电场或磁场耦合对输入/输出环路产生差模干扰，并通过接口电缆向外辐射。如果高速器件必须与连接器相连，则应把高速器件放在连接器处，尽量缩短走线，然后再稍远处安放中速器件，最远处放低速器件；否则高速信号将穿过整个印制板才能到达连接器，可能对沿途的中低速电路产生干扰。发热元件（如ROM,RAM,功率输出器件和电源等）应远离关键集成电路，最好放在边缘或偏上方部分，以利于散热。电感布局时，不要并行靠在一起，因为这样会形成空芯变压器并相互感应出干扰信号，因而它们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度，或者呈直角排列，以将其互感减到最小。许多电磁干扰都来自电源，集成电路的退耦电容应尽量靠近IC的电源引脚，目退耦电容的引线尽量短，建议使用表面贴装电容，可以降低引线电感，防止发生自谐振。

6.5  信号地与功率地

信号地就是指流过小电流的地线,功率地指流过大电流的地线。在实际电路中，例如对于PWM芯片产生的时钟信号的电阻的地线就是信号地，功率MOSFET的源极接的地线就是功率地。实际应用中必须将信号地与功率地分开，这是保证设计时电源正常工作的基本要求。任何走线（电线、甚至是地平面）都有一定的电阻和电感，因而当有大电流流过时，肯定会有电压降，如果是高频信号，通过电感时则会有额外的电压降，这样接地的元件实际上并没有接地，而是电位被抬高了。解决的方法就是釆用分开的信号地和功率地，然后单点共地,最好是在电源输入端的退耦电容处。在实际应用中，任何流过100mA以上电流的地线都可以认为是功率地。

7  结论

产生开关电源电磁干扰的因素还很多，抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用。

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