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1、浅谈开关电源的电磁干扰与滤波方法,内容摘要,分析了开关电源电磁干扰产生的主要原因,介绍了以滤波作为抑制电磁干扰的主要措施以及滤波器的结构、工作原理和元件选用方法。,目 录,1 开关电源概述 2 开关电源产生电磁干扰的原理 3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施 4 总结,1 开关电源概述,开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压。其间，通过对直流输出电压的测量，反过来对晶体管的开关时间进行控制，最终可保持输出电压不变。下图为开关电源的实物电路图,1 引 言,1 开关电源概述,交流输入就是指我们市电的输入端，交流2
2、20V从这儿输入；在开关电源出现故障的时候，由于电流太大，所以会对电网造成一定的影响，甚至于造成火灾，因此我们要在这设一道防线，这就是交流保险；交流互感滤波器是对电网当中高于50Hz的一些高次谐波进行滤波，因为开关电源输入的电压是直流电压，所以不能有高频的干扰脉冲，否则开关电源就不能正常地工作；桥式整流电路是将50Hz的低频电压通,1 开关电源概述,过桥式整流变成一个脉动的直流电压；滤波电容器是将桥式整流电路产生的单向的脉动直流电压变成一个比较稳定比较平滑的直流电压；开关管是开关电源的心脏，是开关电源的核心工作元件，它的工作状态是导通或截止；开关变压器将开关管送出来的开关脉冲进行变压；开关激励
3、脉冲形成电路具有非常重要的作用，它的作用是决定开关管什么时候工作在导通状态、什么时候工作在截止状态，这样才能使开,1 开关电源概述,关管的某一端输出一个脉冲电压；激励变压器将开关激励脉冲形成电路和开关管连接起来，开关激励脉冲形成电路产生的激励脉冲要通过激励变压器送给开关管；高频滤波电感将开关激励脉冲电路产生的高次谐波（频率高于50Hz）进行滤波；高频滤波电容与高频滤波电感起同等重要的作用，也是对交流开关脉冲中的高次谐波进行滤波；直流电压输出是开关电源与用电器相连的接口。,1 开关电源概述,下图为开关电源的电路原理图，图中左边的电路R1，L1，D1，C1至C7是常规的共模滤波和整流电路，获取约3
4、00 V的直流电压供DC-DC变换电路使用；最右边电路L5，C11等是普通的LC滤波电路；IC2，D8，R9，R10组成电压反馈电路，形成闭环结构，稳定电源输出电压；中间部分是DC-DC变换器。,1 开关电源概述,这种线路的好处是取消了笨重的工频变压器；工作在开关状态下的晶体管的功耗要比线性状态低得多，所以不需要庞大的散热器；逆变器的工作频率较高（几十千赫至200kHz），只要用较小容量的电容器就可获得低压侧的平滑滤波效果。由此可见，开关电源的根本优点是小型化、轻量化和高效化。 但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既占有很宽的频率,1 开关电源概述,范围,又有一定的幅
5、度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。,2 开关电源产生电磁干扰的原理,开关电源产生电磁干扰的原理较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。它们所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。 基本整流器的
6、整流过程是产生干扰最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流,2 开关电源产生电磁干扰的原理,后变成单向脉动电源，已经不再是单一频率的电流，此电流波可分解为直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。下图是开关电源产生谐波电流的例子。,2 开关电源产生电磁干扰的原理,在开机瞬间，上图中的储能电容上的电压为零，因此电容电压随电网电压自零逐渐充至电网电压的峰值（此时电网电压的电角度为90）。一旦电网电压越过峰值，则电网电压开始变小。而对电容电压来说，由于负载电能消耗较小，使得电容上电压高于电网的瞬时电压，因此整流电路中的二极管要转为截正。这一情况一直要延续到电网电压的负半周，而且要接近电网电压的峰值（2
7、70），二极管才能导,2 开关电源产生电磁干扰的原理,通，为电容器补充能量。一旦电网电压再次越过峰值，则电容器上的电压又要高于电网的瞬时电压，二极管将再次截止。由此可见，开关电源尽管接收的是正弦电压，但电容器的充电电流却是在接近电角度如90和270处的脉冲电流。所以，开关电源吸收电网的电流是非正弦的周期性脉冲电流。,2 开关电源产生电磁干扰的原理,任何非正弦的周期性波形都可以用傅里叶级数展开，即 谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰，从而形成噪声。,2 开关电源产生电磁干扰的原理,变压器型功率转
8、换电路是开关稳压电源的核心，它产生的尖峰电压是一种较大幅度的窄脉冲，其频带较宽而且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是： （1）开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感。在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的电流，它在开关管过激励较大时，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。,2 开关电源产生电磁干扰的原理,（2）由高频变压器产生的干扰。当原来饱和的开关管关断时,变压器的漏感所产生的反电势 会使开关管的集-射极之间出现电压上冲。这是因为开关管从 转换到 时，由于变压器的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在漏感中的这部分
9、能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰,与集电极的电流变化率（ ）成正比,与漏,2 开关电源产生电磁干扰的原理,感量成正比。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变,它是一种传导性电磁干扰,既影响变压器的初级,还会使干扰传导返回配电系统,造成电网谐波电磁干扰,影响其它用电设备的安全和经济运行。 （3）由输出整流二级管产生的干扰。在输出整流二级管截止时,有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级,2 开关电源产生电磁干扰的原理,管,这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下
10、,将产生较强的高频干扰,其频率可达几十MHz。 当开关电源的谐波电平在高频段（频率范围30MHz以上）时，表现为辐射干扰，而当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围0.15MHz30MHz）表现为传导干扰。传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类：一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流开关电源的差模干扰和共模干扰,2 开关电源产生电磁干扰的原理,分布在不同的频段，在截止频率范围内大致可分成3个频段，在0.5MHz（也有人认为在0.1MHz）以下，主要是以抑制差模干扰为主；在0.5MHz1MHz（或0.1MHz1 MHz）范围内，差模和共模干扰共存；在1MHz30MHz范围内主要是以抑制共模干扰为
11、主。 对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施,主要有正确选择半导体元器体、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取,2 开关电源产生电磁干扰的原理,屏蔽、接地、滤波等几种方法。这里仅简单介绍滤波措施。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模干扰信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输,属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小，共模干扰幅,3 抑制开关电源电磁干扰的滤
12、波措施,度大、频率高，还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。因此,欲削弱传导干扰,把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下。除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10100kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10 kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。 下面以典型的反激式开关电源为例，建立传导干扰模型，进行传导干扰分析。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,上图中，
13、开关管 开通与关断过程产生的差模干扰电流 流过输入电源 ，由于电源内阻 的存在，在电源两端产生传导性差模干扰电压 。图中A点和屏蔽地之间的分布电容 与开关管底板和散热器之间（散热器与屏蔽地直接连接）的分布电容的大小，以及变压器与铁氧体之间（铁氧体通常与屏蔽体连接）的分布电容有关。由于 的开关状态变化，使得A点对地之间,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,的电压差 变化，从而在 上产生位移电流 和 。该电流分别通过正端和负端的电源线，各自在正端、负端接地电阻的作用下形成共模传导性干扰电压 和 。减小开关电源传导性电磁干扰的目的在于减小 ， 和 的影响。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,采用下
14、图所示降低差模干扰电路，利用无源滤波器阻抗特性，可降低开关电源的差模传导干扰。图中， 和 、 为 提供一个低阻抗的通路，通过减小流过电源的 来减小 。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,采用下图虚线框内 、 、 和 组成的电路来降低共模干扰。图中 和 为共模电流提供了低阻抗通路，减少了 、 。对于电源线和屏蔽地构成的共模回路来说， 和 增大了回路的阻抗， 流过共模电感 和 时，在两个电感中产生大小相等、方向相反的电动势，因而相互抵消，使得共模电流 减小；同时，通过合理设计电路和结构，尽量减小 ，以减小 。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,基于上述原理图，现给出开关电源中应用的无源滤波器的
15、基本结构,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中 和 是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感（也称共模扼流圈 ）， 、 是独立的差模电感（也称差模扼流圈 ）。如果把该滤波器一端接入干扰干扰源，负载端接被干扰设备，那么 和 ， 和 就分别构成L-E和N-E（L：相线，N：中线，E：地线）两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,的共模干扰噪声，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。 、 与 构成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模干扰噪声，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。
16、共模滤波网络结构等效电路如下图所示，它由 和 组成。图中右边是开关电源的共模噪声等效电路，并联电容 包括开关管集电极和地之间的分布电容、高频变,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,压器和次级间的分布电容， 是电流源的并联电阻。开关电源共模噪声等效电路的源内阻 是高阻抗容性的。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,差模干扰信号等效电路如下图所示。它由高阻抗干扰等效电路和低阻抗干扰等效电路两部分组成。图中开关S表示桥式整流二极管导通与否，因此高低两个等效电路是不能同时存在的。 是分布电阻，是分布电感，数值都很小。为与共模情况区别， 和 用 和 表示。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,差模滤波网
17、络结构等效电路图如下图所示。 是滤波网络选用的并联电容， 的选择,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,使滤波网络与负载构成失配状态。 另外，需要提到的是共模扼流圈 、 由于某种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，二者的电感量是不同的，于是形成差模电感（ ），它和 一起也形成低通滤波器，抑制差模干扰信号。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,本滤波器是具有互易性的，即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用中，为达到有效抑制EMI信号的目的，必须根据滤波器两端将要连接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。 现就滤波器中重要器件的选用进行
18、一些说明。一是电磁干扰抑制铁氧体，开关电源EMC设计中常用的磁性材料主要是铁,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,氧体、磁粉心、非晶态合金等软磁材料。对其一般有共同的要求：磁导率要高；有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线；电阻率要高；具有较高的饱和磁感应强度。 共模扼流圈一般在铁氧体上绕制。因为铁氧体的导磁率很高，可以获得很大的电感量，而由于共模扼流圈的特殊绕制方法，没有磁心饱和的危险。差模扼流圈一,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,般在铁粉磁心上绕制。这种磁心不易发生饱和，但是磁导率较低。有时为了避免磁心饱和，差模扼流圈在磁路开放的磁心上绕制，通过减小磁心中的磁通密度来避免饱和。这时要注意，
19、电感也是一个非常高效的磁场接收器件，会将周围的干扰收集到电感上，形成新的干扰，必要时可以采取屏蔽措施。 二是电容，由于材料不同电容器所使,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,用的频率范围也不同。下图为各种电容器大致适用的频率范围。在选用电容时,应选高频特性好的电容器。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,用的频率范围也不同。下图为各种电容器大致适用的频率范围。在选用电容时,应选高频特性好的电容器。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,跨接电容 越大，插入损耗也越大；即使在滤除差模噪声的时候，通路中的旁路电容也要滤除高频噪声，因此要用残余电感小的电容。 在用电容抑制电磁干扰时，最容易忽视的问题就
20、是电容引线对滤波效果的影响。利用电容器的容抗与频率成反比这一特性，将电容并联在信号线与地线之间，可起到对高频噪声的旁路作用。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,电容的谐振频率由等效电感（ESL）和C共同决定。电容值或电感值越大，则谐振频率越低，电容的高频滤波效果越差。ESL除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个十分重要的参数：引线越长，则电感越大，电容的谐振频率也越低。因此在实际工程中，要使电容器的引线尽量短。 提高电容器对高频干扰旁路效果的方,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,法是减小引线串联电感：一方面选择电感小的电容种类，另一方面在安装电容时要使电容的引线尽量短，这也包括线路
21、板上可以等效到电容引线上的轨线长度。陶瓷电容器是理想的射频滤波电容，其表面安装的独石电容虽然不是专门的干扰滤波器件，但由于它没有引线而具有良好的高频特性，适合射频滤波应用。,3 抑制开关电源电磁干扰的滤波措施,最后要注意的是在使用开关电源滤波器时，要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时，要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离，不能把它们捆在一起走线，否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上，会大大降低滤波器的抑制效果。,4 总结,本文对开关电源的电磁干扰的产生和传导机理作了一定程度的分析，介绍了一种减少开关电源电磁干扰的滤波方法；并对滤波器所用元件的选择和安装进行了定性的讨论，为今后的学习研究电路中的电磁干扰问题积累了知识。,谢 谢,名词解释,插入损耗的定义为没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的功率 和接入滤波器后,噪声源传输到负载的功率 之比。用公式表示为,