小型开关电源的抗电磁干扰设计

摘要：基于小型开关电源会产生电磁干扰污染电网，同时它们又容易受到外部电磁环境的影响，不能精确地工作。我们采用了滤波、屏蔽、接地等技术，使小开关电源的EMI被控制在EMC标准规定的极限下，使它们能够良好地工作又不至于污染电网。特别在文中对小开关电源的电路进行了改进，使这类电源能够有效地吸收和抑制干扰。大量的实践证明本文中采用的方案经济可靠地解决了小开关电源的抗干扰问题，不但能够改善小开关电源的性能，还降低了小开关电源的故障率，使小型开关电源的使用范围更加广泛。
关键词：EMI电磁干扰；EMC电磁兼容；滤波；抑制

文中的小型开关电源结构为单端反激式变换器，工作特性为高电压、小功率5～150 W的电源，工作频率在20 kH以上。这种开关电源功率密度大，智能化程度高，体积小，重量轻．在工业、国防、家电上大量使用。但是，该类型开关电源由于其固有的结构特性，它会产生干扰，注入电网并污染电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作，所以这种电源如果不采取一定的措施就无法应用于一些精密的电子仪器中，因此降低该类型开关电源对外部环境的电磁干扰即EMI，是我们的一个重要的任务。
第二个我们必须解决的问题是其对工作环境的适应性即抗干扰能力。由于该开关电源的工作环境是处于近千伏的电压到几伏的电压信号，从高频到低频信号，还有开关电源的内部电磁的分布相当复杂，它的结构及其内部PCB布线，容易导致该系统工作不稳定，且容易受到外部的浪涌、静电放电、电快速脉冲群的影响，使该开关电源不能精确地工作。
综上所述，我们要求该开关电源必须满足两点要求：1)对周围的电磁环境不造成污染，2)它在现实的电磁工作环境中不至于性能下降或发生故障。

1 开关电源的EMI
开关电源的干扰情况如图1所示。

1)开关电源的工频整流采用桥式整流，如图2所示，大滤波电容充放电，没有PFC，输入电流是一个时间短，峰值很高的周期性尖峰电流，这种畸变的电流含有丰富的高次谐波分量，它们注入电网，引起严重的谐波污染且整流二极管在反向恢复期间会引起高频衰减而产生干扰，另外滤波电容的等效串联电感也会产生干扰。

2)开关管VT由于极短的导通时间及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的du／dt和很高的尖峰电压；开关管在关断时，关断时间短，将产生很大的di／dt和很高的电流尖峰，开关电源的这种尖峰干扰通过输入／输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰，即传导性EMI。而在输入／输出线传播时，会在空间中产生电磁场，发生电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。开关电源中开关管的频率越高，它产生的传导干扰和辐射干扰也越强。
3)图2中，高频整流二极管VD5也是一个重要的高频干扰源，它高速的通断工作在很高的du／dt、di／dt下会产生高频干扰沿直流输出线传出去。
4)变压器等磁性元件引起的EMI
①高频变压器初级L1、开关管VT和滤波电容C1构成的高频开关电流环路能产生较大的空间辐射。如果电容器C1滤波不足，高频电流会以差模方式传导到输入交流电源中如图2中的I1。
②高频变压器次级L2整流二极管VD5、滤波电容C2构成高频开关电流环路，会产生空间辐射，如果电容器滤波不足，高频电流将会以差模形式混在输出直流电压上向外传导如图2中I2。
③高频变压器的初级和次级间存在分布电容，初级的高频电压通过这个分布电容直接藕和到次级上去，在次级的两根输出线上产生同相位的共模噪声，如果两根线对地阻抗不平衡，还会转变成差模噪声。
5)高频工作下的元件都有高频寄生特性，高频工作时，导线变成了发射线，电容变成了电感，电感变成了电容，电阻变成了共振电路，会使其工作状态产生影响并使其频率特性发生了相当大的变化，变成开关电源中的辐射干扰源。
6)电网中各种用电设备产生的EMI沿电源线进入开关电源，主要以共模或差模两种方式存在，其中能够对电源造成损坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波。