开关电源的EMC及安全规范设计

　　开关电源不需要沉重的电源变压器，具有体积小、重量轻、效率高的优点，且市场上已有成品开关电源集成控制模块，使电源设计、调试简化许多，所以，在大多数的电子设备（如计算机、电视机及各种控制系统）中得到了广泛的应用。然而，开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此，只有提高开关电源的电磁兼容性，才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。

　　开关电源产生噪声的原因

　　开关电源的种类很多，按变换器的电路结构可分为串并联式和直流变换式两种；按激励方式可分为自激和它激两种；按开关管的组合可分为桥式、半桥式、推挽式等。但无论何种类型的开关电源都是利用半导体器件的开和关工作的，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。由于它通常在20kHz以上的开关频率下工作，所以电源线路内的dv/dt、di/dt很大，产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射噪声。图1给出了一种典型的开关电源电路的简图，下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。

　　一次整流回路的噪声

　　在一次整流回路中，整流二极管D1～D4只有在脉动电压超过C1的充电电压的瞬间，电流才从电源输入侧流入。所以，一次整流回路产生高次畸变波，形成噪声。

　　开关回路的噪声

　　一是电磁辐射。电源在工作时，开关管Ｔ处于高频率通断状态，在由脉冲变压器初级线圈L、开关管T和滤波器C构成的高频电流环路中，可能会产生较大的空间辐射噪声。如果C的滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。二是感性负载引起的浪涌电压。在开关回路中开关管T的负载是脉冲变压器的初级线圈L，是感性负载，所以开关管在通断时，在脉冲变压器的初级线圈的两端会出现较高的浪涌电压，很可能造成与此同一回路的电子器件（尤其是开关管T）的损坏。

　　二次整流回路的噪声

　　一是电磁辐射。电源在工作时，整流二极管D也处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈L、整流二极管D和滤波电容C构成了高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。如果电容C滤波不足，则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上，影响负载电路的正常工作。

　　二次整流回路的噪声

　　二是浪涌电流。硅二极管在正向导通时ＰＮ结内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中D在开关转换时频率很高，即由导通转变为截止的时间很短，在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在，使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡。

　　控制回路的噪声

　　控制回路中的脉冲控制信号是主要的噪声源。

　　分布电容引起的噪声

　　一是Ci的作用。散热片K与开关管T的集电极间虽然有绝缘垫片，但由于其接触面较大，绝缘垫较薄，因此两者之间的分布电容Ci在高频时不能忽略。因此高频电流会通过Ci流到散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线PE中，以产生共模辐射。二是Cd的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容Cd，可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去，在副边用作直流输出的两条电源线上产生同相位的共模噪声。

　　开关电源的电磁兼容性设计

　　抑制开关电源的噪声可采取三方面的技术。

　　一、是减小干扰源的干扰能量；

　　二、是破坏干扰路径；

　　三、是采用屏蔽。

　　减小干扰源能量

　　由于开关电源的干扰源是不可能消除的，所以减小干扰源的能量就显得非常必要。一般采取的措施有：

　　（1）并接RC电路。在开关管T两端加RC吸收电路；在二次整流回路中的整流二极管D两端加RC吸收电路，抑制浪涌电压。

　　（2）串接可饱和磁芯线圈。在二次整流回路中，与整流二极管D串接带可饱和磁芯的线圈，可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作；一旦电流要反向流过时，磁芯线圈将产生很大的反电势，阻止反向电流的上升，因此将它与二极管D串联就能有效地抑制二极管D的反向浪涌电流。目前已有超小型非晶型磁环成品，可以直接套在二极管的正极引线上，使用方便。

　　破坏干扰路径

　　一是针对开关电源中分布电容引起的电场噪声采取措施。主要抗干扰措施有：

　　（1）减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。选用低介电常数的材料作绝缘垫，加厚垫片的厚度，并采用静电屏蔽的方法，。

　　一般开关管的外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地上，散热片仍接在机壳地上，这样将大大减少集电极与散热片之间的耦合电容Ci，也就减少了它们之间的电场耦合。

　　（2）减少脉冲变压器的分布电容Cd。在一次侧和二次侧间加静电屏蔽层，屏蔽层应尽量靠近发射极并接地，这样将耦合电容Cd也分成Cd1和Cd2的串联形式。

　　减少了一、二次侧的电场的耦合干扰。二是针对开关电源通过电源线向外传输噪声的特点采取措施，即采用滤波技术破坏干扰。采用的滤波技术有：

　　（一）交流侧滤波。开关电源的交流电源线输入端插入共模和差模滤波器，防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中，影响电网中其它用电设备，同时也抑制来自电网的噪声。交流侧滤波器，其中LD、CD用于抑制差模噪声，一般LD取100～700μH，CD取1～10μF，对抑制10～150kHz的噪声比较有效。LC、CC抑制共模噪声，一般LC取1～3mH，CC取2000～6800pF，对抑制150kHz以上的共模噪声有效。对于具体的开关电路要对其上述元件的参数进行调试确定。

　　（二）直流侧滤波。在开关电源的直流输出侧插入电源滤波器，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。

　　屏蔽

　　抑制辐射噪声的有效方法是屏蔽。用导电良好的材料对电场屏蔽，用导磁率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合磁环形成磁屏蔽，对整个开关电源要进行屏蔽。在屏蔽时应考虑散热和通风问题，屏蔽盒上的通风孔最好为圆形，接缝处最好焊接，以保证电磁的连续性。

　　开关电源的电磁兼容性设计考虑的因素还很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等，有许多工作要做。全面抑制开关电源的各种噪声会大大提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛的应用。