開(kāi)關(guān)電源憑借其體積小、重量輕、效率高的顯著優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用。然而，由于其工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。這種干擾不僅會(huì)影響自身性能，還可能對(duì)周圍其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重干擾。因此，有效抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，對(duì)于保障電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和提高系統(tǒng)的電磁兼容性至關(guān)重要。

電磁干擾產(chǎn)生機(jī)制

傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)電源線、信號(hào)線等導(dǎo)體進(jìn)行傳播。在開(kāi)關(guān)電源中，功率開(kāi)關(guān)管的快速通斷會(huì)導(dǎo)致電流的急劇變化，產(chǎn)生高 di/dt(電流變化率)，進(jìn)而在輸入、輸出的濾波電容上感應(yīng)出干擾電壓。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的 Buck 變換器中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流迅速上升，在濾波電容的等效電感上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，形成差模干擾。同時(shí)，由于電路中存在寄生電容，開(kāi)關(guān)管的電壓變化會(huì)產(chǎn)生高 dv/dt(電壓變化率)，導(dǎo)致共模干擾電流通過(guò)寄生電容流向大地或其他導(dǎo)體。

輻射干擾

輻射干擾則是通過(guò)空間以電磁波的形式傳播。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者相互作用形成電磁波。在開(kāi)關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可等效為天線，成為電磁輻射源。例如，電感線圈可視為磁偶極子，二極管、開(kāi)關(guān)管、電容等可看成電偶極子，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的變化電流會(huì)向周圍空間輻射電磁波。

電磁干擾抑制技術(shù)

屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)是抑制電磁干擾的有效手段之一。它通過(guò)使用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，從而阻止電磁波的傳播。在開(kāi)關(guān)電源中，可對(duì)發(fā)出電磁波的關(guān)鍵元器件，如變壓器、電感器、功率器件等進(jìn)行屏蔽。通常采用銅板或鐵板在這些元器件周圍構(gòu)建屏蔽層，使電磁波在屏蔽層中產(chǎn)生衰減，從而減少對(duì)周圍環(huán)境的干擾。同時(shí)，對(duì)于對(duì)抗電磁波能力較弱的元器件，在必要情況下也應(yīng)采取相應(yīng)的屏蔽措施，以防止其受到外部電磁干擾的影響。

接地技術(shù)

接地技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源的抗干擾和電磁兼容設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。然而，不正確的接地方式不僅無(wú)法抑制干擾，反而可能增加共地線干擾、地環(huán)路干擾等問(wèn)題。為避免各種電路在工作中相互干擾，需根據(jù)電路性質(zhì)將工作接地進(jìn)行合理分類。

交流地與直流地分開(kāi)：交流電源的零線通常接地，但由于接地電阻和其上流過(guò)的電流，零線電位并非大地的零電位，且零線上往往存在大量干擾。若交流地與直流地不分開(kāi)，這些干擾會(huì)對(duì)直流電源和后續(xù)直流電路的正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在開(kāi)關(guān)電源中采用浮地技術(shù)，將交流電源地與直流電源地分開(kāi)，能夠有效隔離來(lái)自交流電源地線的干擾。

模擬地與數(shù)字地分開(kāi)：隨著數(shù)字開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，數(shù)字芯片與模擬電路之間的干擾問(wèn)題日益突出。為抑制對(duì)數(shù)字芯片的干擾，需要使用脈沖變壓器和線性光電耦合器等器件對(duì)數(shù)字電路與模擬電路信號(hào)進(jìn)行隔離，以提高整個(gè)電路的電磁兼容性。

功率地與弱電地分開(kāi)：功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位公共基準(zhǔn)地線，由于這些電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，功率地線上的干擾較大。因此，必須將功率地與其他弱電地分別設(shè)置，以確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵方法。通過(guò)在電源輸入和輸出端安裝合適的濾波器，可以有效濾除不需要的高頻噪聲信號(hào)。常見(jiàn)的濾波器包括 EMI 濾波器，其工作原理是利用電感和電容組成的電路特性，阻止高頻噪聲信號(hào)的傳遞。EMI 濾波器可分為傳導(dǎo)型濾波器和輻射型濾波器。傳導(dǎo)型濾波器通常安裝在電源線和信號(hào)線上，通過(guò)電感和電容的組合來(lái)抑制特定頻率范圍內(nèi)的干擾信號(hào);輻射型濾波器則用于消除設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的輻射干擾，通過(guò)在電路板上特定位置安裝濾波元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

其他技術(shù)

緩沖電路：在開(kāi)關(guān)變換器中，開(kāi)關(guān)管和二極管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，由于變壓器漏感、線路電感、二極管存儲(chǔ)電容和分布電容等因素，容易產(chǎn)生尖峰電壓和電流。緩沖電路可以有效抑制這些尖峰，減緩 dv/dt 和 di/dt 的變化率，從而降低電磁干擾。例如，常用的 RC/RCD 吸收回路，當(dāng)吸收回路上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí)，回路中的器件迅速導(dǎo)通，將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定幅度。

開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)：開(kāi)關(guān)干擾的能量主要集中在特定頻率上，頻譜峰值較大。頻率控制技術(shù)可將這些能量分散在較寬頻帶上，降低干擾頻譜峰值。常見(jiàn)的有隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。隨機(jī)頻率法是在電路開(kāi)關(guān)間隔中加入隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開(kāi)關(guān)干擾能量分散在一定范圍頻帶中;調(diào)制頻率法則是在鋸齒波中加入調(diào)制波，在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開(kāi)成一個(gè)分布頻帶，使干擾能量分散到這些分布頻段上。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：開(kāi)關(guān)電源的干擾之一來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管通 / 斷時(shí)的 du/dt，減小功率開(kāi)關(guān)管通 / 斷的 du/dt 可有效抑制開(kāi)關(guān)電源干擾。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)在開(kāi)關(guān)電路基礎(chǔ)上增加小電感、電容等諧振元件構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降為零，消除開(kāi)通過(guò)程中電壓、電流重疊現(xiàn)象，降低甚至消除開(kāi)關(guān)損耗和干擾。根據(jù)原理可分為零電流關(guān)斷和零電壓開(kāi)通。

結(jié)論

開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重影響電子設(shè)備的性能和可靠性。通過(guò)深入了解電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)制，并綜合運(yùn)用屏蔽、接地、濾波、緩沖電路、開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制和軟開(kāi)關(guān)等多種抑制技術(shù)，可以有效地降低開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，提高其電磁兼容性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇和優(yōu)化這些抑制方法，以實(shí)現(xiàn)最佳的抗干擾效果，確保電子設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。