引言

電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。目前，常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關電源兩類。開關電源(SwitchModePowerSupply,SMPS)被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關電源內(nèi)部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達70%?90%,比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高了近一倍。開關電源亦稱無工頻變壓器的電源，它是利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可以采用體積較小的濾波元件和散熱器。

開關電源以其體積小、功率因數(shù)較大等諸多優(yōu)點，而在通信、控制、計算機等領域具有廣泛的用途。但是，由于其同時會產(chǎn)生電磁干擾，因而在一定程度上限制了開關電源的使用。

電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下，它們不會因為內(nèi)部或彼此之間存在的電磁干擾而影響其正常工作。電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中，按設計要求正常工作的能力。

電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)則是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。按頻帶分，可分為寬帶干擾與窄帶干擾。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾。

1  開關電源電磁干擾的產(chǎn)生機理

開關電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種?，F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明。

1.1  二極管的反向恢復時間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/di）。

1.2  開關管工作時產(chǎn)生的諧波干擾

一般情況下，功率開關管在導通時，都會流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。

1.3  交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。

開關電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

1.4  其他原因

元器件的寄生參數(shù),開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性,PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，開關電源現(xiàn)在已經(jīng)大量投放市場。由于開關電源通常具有高功率密度、高效率等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用在計算機、電視機、通信設備、控制裝置等設備之中。隨著功率半導體器件，如MOSFETJGBT的發(fā)展和開關技術(shù)的進步，開關電源的開關頻率和功率密度不斷上升，這些都導致開關電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越惡劣，同時對周圍的電子設備及電源本身的正常工作造成了威脅。因此，降低開關電源的EMI成為開關電源設計中的重要課題之一。

在電力電子系統(tǒng)中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分（DC/DC部分）；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個PCB上。前者在多數(shù)情況下都是干擾源;后者則屬于弱電部分，是敏感設備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度，因而控制模塊可能會受到干擾而不能正常工作。開關電源的開關頻率不是很高，其產(chǎn)生的輻射干擾主要在其附近。由于開關頻率的提高將使體積減小、重量減輕，因而開關頻率的進一步提高，使得輻射干擾變得更為嚴重。與信號處理電路中線路阻抗匹配的情況不同，開關電源的干擾源阻抗與網(wǎng)絡不僅不配合，而且隨工況變化，這無疑給EMI濾波器的設計帶來了一定的困難。同時EMI濾波器中的L、C組件還必須受到很大的無功功率,這些降低了開關電源的整體效率，增大了開關電源的體積。另外，開關電源EMI濾波器在高頻段難以達到設計要求也是一個重要的問題。

1.5  開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關頻率不高（從幾十千赫茲到數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。

2  EMI形成的三個因素

2.1  電磁干擾源

電磁干擾源是指會產(chǎn)生EMI的組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。電磁干擾源分為自然干擾源和人為干擾源。雷電放電，沙漠地區(qū)的沙暴和塵暴產(chǎn)生的局部EMI等。天電干擾源以及電阻等電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲等屬于自然干擾源。常見的人為干擾源包括電力線干擾源、旋轉(zhuǎn)機械干擾源、點火系統(tǒng)干擾源和功能干擾源。

2.2  敏感設備

敏感設備指的是可能對電磁干擾發(fā)生回應的設備。

2.3  耦合路徑或稱為耦合通道

耦合路徑指的是能把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設備上，并使該設備產(chǎn)生響應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，耦合干擾是通過“場”進行傳播的。因此，分析傳導干擾使用“電路”理論,而分析輻射干擾就必須采用電磁場理論。

由此可見，要消除電磁干擾，可以采取去掉干擾

源、切斷干擾路徑以及降低敏感設備的敏感度這三種辦法中的一種即可。

圖1所示為EMI形成的三個因素。

圖1    EMI形成的三個因素

3  EMC相關標準簡介

我國的EMC標準和規(guī)范制度工作開展較晚。1966年，我國制定了第一個無線電干擾標準JB854-66“船用電氣設備無線電干擾端子電壓測量方法與允許值氣近年來，我國積極借鑒國際標準，制定了一系列EMC的標準和規(guī)范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能測量方法”，GJB1001—90“超短波輻射測量方法”等。

大多數(shù)國家的安全和EMC標準通常是合在一起的。CE認證（即歐洲共同體認證）就是一個例子。另一個例子是CCC認證（中國強制認證）。大體上說，在相關地區(qū)銷售的產(chǎn)品必須有這些認證標志，并被認為是同時符合安全和EMC標準的。這些安全認證越來越被市場視為產(chǎn)品質(zhì)量的標志。一般電源工程師幾乎可以只考慮歐洲EMI標準中的EN550022C針對IT設備）。該標準最初（實際上沿用至今）被稱為CISPR22,它是我們應特別重視的標準。

4  實施電磁兼容性的方法

在電子技術(shù)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了三種實施電磁兼容性的方法。

4.1  問題解決法

該方法是先進行研制，最后根據(jù)研制成的設備和系統(tǒng)在聯(lián)試中出現(xiàn)的EMI問題，運用各種抑制干擾的技術(shù)去逐個解決。這種辦法十分落后，因為系統(tǒng)已經(jīng)裝配好，再去解決EMI問題是十分麻煩的事情。為了解決問題，可能要大量拆卸和修改，嚴重的也許還要重新設計。這會造成大量的人力、物力浪費，延誤系統(tǒng)開發(fā)周期。

規(guī)范法

規(guī)范法是按頒布的電磁兼容性標準和規(guī)范進行設備和系統(tǒng)設計制造。該方法在一定程度上能預防EMI問題的出現(xiàn)，比用問題解決法更為合理。但由于標準和規(guī)范不可能是針對某個設備系統(tǒng)制定的，因此,企圖解決的問題不一定是真正存在的問題，只是為了適應規(guī)范而已。另外，規(guī)范是建立在電磁兼容實踐經(jīng)驗基礎上的，沒有進行EMI的分析和預測，因而往往導致過多的預防儲備，可能使系統(tǒng)成本增加。

系統(tǒng)法

系統(tǒng)法是用計算機技術(shù)按預測程序針對某個特定系統(tǒng)的設計方案進行電磁兼容性預測和分析。系統(tǒng)法從設計開始就預測和分析設備的電磁兼容性，并在設備或系統(tǒng)設計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其進行電磁兼容性預測分析。如果預測結(jié)果表明存在不兼容問題，則可修改設計后再進行預測，直至預測結(jié)果表明完全兼容，才進行硬件生產(chǎn)。

5  目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備，因而抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道,它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容，開關電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾。解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。

為了抑制開關電源產(chǎn)生的輻射，電磁干擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應，所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連。

在電路系統(tǒng)設計中應遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當磁力線穿過該回路時將產(chǎn)生磁感應噪聲。實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面（底板或多層印制板電路的導電平面層等）作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。

濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

EMI濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施,可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導干擾，具體實現(xiàn)部分可查閱相關文獻。

6  改進措施和建議

EMI指一個器件或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁噪聲引起另一個器件或系統(tǒng)不能進行正常工作。EMC指設備（系統(tǒng)、分系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即該設備不會由于受到處同一電磁環(huán)境中的其它設備的電磁發(fā)射而導致或遭受不必要的降級;它也不會使同一電磁環(huán)境中其它設備因受其電磁發(fā)射而導致或遭受不允許的降級。電磁敏感度（ElectromagneticSusceptibility,EMS）是指在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。還有諸如輻射敏感度、傳導敏感度、電磁兼容裕量等專用術(shù)語。

6.1  輻射噪聲處理

首先檢査每個進入或者離開電源的電線（包括功率和信號）是不是與其返回線配對，也就是所謂的差分走線?！芭鋵Α逼鋵嵕褪窃谧呔€的過程中信號線和其對應的返回線非?？拷驗楫a(chǎn)生的噪聲直接與信號線的環(huán)路面積有關，通常采用雙絞線可以使面積和噪聲最小。最糟糕的就是將單根信號線連接到某個儀器上。正確的方法應該是采用差分走線，將信號線和相應的地線一起引出。另一個簡單的方法就是看外殼有沒有密封，電源外殼周圍有金屬層，通過將系統(tǒng)放入EMI密封的外殼中控制輻射后，唯一的輻射源是進入或離開外殼的電源和信號線。

由于電源線的傳導噪聲需要控制，這些措施也可以控制輻射噪聲。一般情況下會考慮對信號線使用濾波技術(shù)，從帶有高頻信號的信號線開始，如數(shù)字時鐘。但是由于電源內(nèi)部的噪聲耦合，靜態(tài)信號線也有可能引起輻射問題，當這些靜態(tài)信號線到達其出口（入口）途中，不同器件向它輻射，它也會耦合到噪聲，當其離開外殼時就成為一個輻射天線，因而在大多數(shù)情況下，應該對所有信號線都采用帶濾波器的連接器。從實用的角度講，只要電源的外殼是金屬的，具體的材料沒有太大的影響。由于成本的問題,外殼大部分采用鋁。當出現(xiàn)EMI問題時，可以嘗試使用Mu金屬（一種鐐鐵合金，77%的保，15%的鐵，還有一些銅和鑰）外殼。它可以屏蔽低頻磁場，但如果已經(jīng)考慮了功率線和信號線的輻射問題,就沒必要采用這種材料。

6.2  傳導噪聲處理

傳導噪聲通常分為共模噪聲和差模噪聲。共模噪聲一般指相線、中線與地線之間形成的干擾，噪聲大小相等，相位相同；差模噪聲值相線與中線之間形成的干擾,噪聲大小相等，相位相反。傳導噪聲的抑制通常采用開關電源EMI濾波器，其中的共模電容、差模電容、共模扼流圈以及鐵氧體磁環(huán)經(jīng)過一定的組合可以很好地抑制共模、差模噪聲。

6.3  鐵氧體磁珠的應用

鐵氧體磁珠具有很好的高頻特性，甚至在100MHz以上，其阻抗隨頻率的增加而增加。但是，在很小的直流電流下它就會飽和一這個參數(shù)一些制造商沒有標注。因此，對大部分應用而言，磁珠對輸入噪聲基本沒有任何作用。在一些設計中，有時將磁珠用在MOSFET的門極驅(qū)動（或漏極）中。如果用在門極驅(qū)動，方法不好，通過降低MOSFET的驅(qū)動速度來降低噪聲，直接導致?lián)p耗的上升。如果用在漏極，通常效果不明顯，因為它在小電流下就已經(jīng)飽和了。如果希望用來阻止在開始的幾十個納秒的時間內(nèi)電流流過（如同步整流器），然后讓電感飽和，這樣就不會在功率路徑中增加電感量，在漏極串入一個

磁珠可能有效果。就算這樣，儲存在磁珠內(nèi)的能量必須每個周期被消耗掉或者進行處理，就像變壓器的漏感中的能量一樣。

鐵氧體抑制元件通常應當安裝在靠近干擾源的地方，對于輸入/輸出電路，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應選用高磁導率的有耗材料外，還要注意其應用場合。它們在線路中對高頻分量呈現(xiàn)的電阻約為十至幾百歐姆，因而在高阻抗電路中的作用不是很明顯，相反,在低阻抗電路（如功率分配、電源或射頻電路）中使用效果很好。

PCB布局

PCB板上元器件的布局不當是引發(fā)干擾的重要因素。元器件布局首先應滿足系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行定位，把所有嚴格定位的器件（如變壓器、傳感器、散熱器、顯示器等）放好并鎖定。一些質(zhì)量較大的器件不要直接安裝在PCB上，而需要用支架并安裝在機殼上。但從電磁兼容性考慮，元器件的布局需遵循一些共同的原則。對于一些敏感性器件例如鎖相環(huán)，對噪聲干擾特別敏感，可以在其周圍的電源銅箔上蝕刻出馬蹄形絕緣溝槽。連接器及其引腳應根據(jù)元器件在板上的位置確定，所有連接器最好放在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，以便減少共模電流輻射;I/O驅(qū)動器應緊靠連接器，避免I/O信號在板上長距離走線，耦合不必要的干擾信號。

當高速數(shù)字集成芯片與連接器之間沒有直接的信號交換時，高速數(shù)字集成芯片應安排在遠離連接器處;否則，高速數(shù)字信號有可能通過電場或磁場耦合對輸入/輸出環(huán)路產(chǎn)生差模干擾，并通過接口電纜向外輻射。如果高速器件必須與連接器相連，則應把高速器件放在連接器處，盡量縮短走線，然后再稍遠處安放中速器件，最遠處放低速器件；否則高速信號將穿過整個印制板才能到達連接器，可能對沿途的中低速電路產(chǎn)生干擾。發(fā)熱元件（如ROM,RAM,功率輸出器件和電源等）應遠離關鍵集成電路，最好放在邊緣或偏上方部分，以利于散熱。電感布局時，不要并行靠在一起，因為這樣會形成空芯變壓器并相互感應出干擾信號，因而它們之間的距離至少要相當于其中一個器件的高度，或者呈直角排列，以將其互感減到最小。許多電磁干擾都來自電源，集成電路的退耦電容應盡量靠近IC的電源引腳，目退耦電容的引線盡量短，建議使用表面貼裝電容，可以降低引線電感，防止發(fā)生自諧振。

6.5  信號地與功率地

信號地就是指流過小電流的地線,功率地指流過大電流的地線。在實際電路中，例如對于PWM芯片產(chǎn)生的時鐘信號的電阻的地線就是信號地，功率MOSFET的源極接的地線就是功率地。實際應用中必須將信號地與功率地分開，這是保證設計時電源正常工作的基本要求。任何走線（電線、甚至是地平面）都有一定的電阻和電感，因而當有大電流流過時，肯定會有電壓降，如果是高頻信號，通過電感時則會有額外的電壓降，這樣接地的元件實際上并沒有接地，而是電位被抬高了。解決的方法就是釆用分開的信號地和功率地，然后單點共地,最好是在電源輸入端的退耦電容處。在實際應用中，任何流過100mA以上電流的地線都可以認為是功率地。

7  結(jié)論

產(chǎn)生開關電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲會使開關電源得到更廣泛的應用。

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