开关电源的电磁兼容性设计 长春工程学院信息工程系(130012)谷树忠 摘 要： 系统地分析了开关电源产生噪声的主要原因及产生噪声的回路和部 件，给出了相应的抗干扰措施，从而提高了开关电源的电磁兼容性。 关键词： 开关电源 噪声电磁兼容性 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。 1 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。 1.1 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。 1.2 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 L1、开关管 T 和滤波器 C1 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 C1 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 L1，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。 1.3 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 D5 也处于高频通断状态，由脉冲 变压器次级线圈 L2、整流二极管 D5 和滤波电容 C2 构成了高频开关电流环路， 可能向空间辐射噪声。如果电容 C2 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 D5 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。 1.4 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。 1.5 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。 2 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。 2.1 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， 如图 2(a)所示。在二次整流回路中的整流二极管 D5 两端加 RC 吸收电路，如 图 2(b)所示，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 D6 串接带可饱和磁芯的线圈，如图 2(b)所示。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 D6 串联就能有效地抑制二极管 D5 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。 2.2 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，如图 3 所示。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。图 3(a)是减少 Ci 的原理图，屏蔽层将 Ci 分成 Ci1 和 Ci2 的串联形式，图 3 b 是实物图。(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，如图 4 所示， 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：(1) 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。交流侧滤波器如图 5(a)所示，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。(2)直流侧滤波。在开关电源的直流输出侧插入如图 5(b) 所示的电源滤波器，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。 2.3 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。 参考文献 1 李香箐．电磁兼容性设计．仪表技术，1997(5) 2 陈 穷．电磁兼容性工作设计手册．北京：国防工业出版社，1993 3 诸邦田．电子电路实用抗干扰技术．北京：人民邮电出版社，1996 4 谷树忠．双面印制版的电磁兼容性设计．电子工艺技术，2000(5)