如何解决电磁干扰问题？

1.开关电源中的主要干扰源

对于开关电源中的电磁干扰，首先要清楚干扰源的特性、干扰的通道和传播方式。

在开关电源中，电磁干扰主要是由开关器件、非线性无源元件以及印制电路板的走线和元件布局不当引起的。

功率开关转换电路是开关电源的核心，开关功率管和高频变压器是产生电磁干扰的主要器件。脉冲的幅值大，工作的频带宽，而且谐波含量高，对抑制电磁干扰与提高开关电源的效率是一个很大的矛盾，因为频率高、功率大，电磁辐射强度必然大。

开关管的负载是高频变压器的一次绕组，属于电感负载。电感负载的特点是电路在开通和关断的瞬间将产生极大的反向电流，称为涌流。这种电流将在变压器一次绕组的两端引发浪涌尖峰电压。开关管在关断瞬间，由于一次绕组存在漏感，相当一部分电能不能传送到二次侧，因此这部分电能将在开关管集电极的极间电容、电阻间形成带有尖峰电压性质的高频振荡，并叠加在关断电压上，形成能量很大的尖峰电压。这个尖峰电压在开关管导通瞬间传导到电路的输出端，形成传导干扰。开关电源高频振荡传播的高频电能将形成电磁干扰。同样，脉冲变压器的一次、二次绕组在开关晶体管和电路电容的作用下，也将形成高频开关环路电流。这个环路电流将向空中辐射，形成辐射干扰。如果电路中的电容容量不足，高频特性不好，或高频阻抗较高，则高频电流将以差模方式传导到交流电源电路中，形成传导干扰。

主电路中的整流二极管在导通和截止期间产生反向恢复电流，这种电流比续流二极管的反向恢复电流小得多。但是，整流二极管的反向恢复电流形成的干扰信号强度大，频带宽，辐射面很大，将整流电路当成电磁干扰源和干扰通道。开关电源的研发人员要认真加以研究，加大抑制，防止这种干扰源的形成。

开关电源的种类很多，无论什么类型都是利用半导体器件的开和关来工作的，并且利用开和关的时间比或占空比来控制输出电压的高低。通常开关电源都在30kHz以上的开关频率下工作，所以开关电源将产生浪涌电压、浪涌电流和各种噪声。这种噪声源通过电路或开关电源的本体以共模或差模方式向外传导，同时也向周围空间辐射。图2-43所示的是一种典型的开关电源电路，下面分析该电路产生噪声的主要器件及电源回路。

图2-43 开关电源产生噪声的器件及电源回路

4只整流二极管输出脉动电压的时间超过电容C₁的充电时间时，电流将从电压输入电路输入，也就是输入电压和输入电流由于有充电电容存在，产生相位差，使电源整流回路产生高次电流畸变（也就是电流谐波），并同时形成噪声。

开关功率管在高频通断的状态下，高频变压器的一次绕组N_P、开关管VT以及滤波电容C₁构成高频电流环路。如果电容C₁的容量不足，则高频电流以差模方式传导到交流输入电路中去。加上开关管VT的负载是高频变压器的一次绕组N_P，是感性负载，开关管在通断工作期间，变压器一次绕组将产生较高的浪涌电压。高频电流在这一回路上以差模的方式传导到交流电源中形成噪声干扰。

输出整流回路的噪声是由硅整流二极管VD₅和滤波电容C₃所构成的高频开关回路产生的。整流二极管是由PN结构成的，由于在截止期间PN结内积累了大量的电荷，这些电荷在反向电压的作用下将产生反向电流。由高频变压器传递过来的电压频率很高，输出回路的整流二极管VD₅的开关整流时间极短，储存在二极管中的大量电荷不能完全传送出去，便形成反向浪涌电流。在有分布电容、分布电感存在的输出整流回路里，浪涌电流引发高频振荡干扰电磁波并快速向空中发射。

电源整流回路、功率转换回路、输出整流回路的各个元器件都是产生噪声的发源地，加上高频变压器的一次侧与二次侧之间、电路与机壳之间、电源地与信号地之间存在大量的分布电容，这些电容将引起电源工作的稳定性和可靠性降低，还将产生不固定的、非周期的谐波频率，发射出共模噪声干扰。

2.电磁干扰的传播方式

电磁干扰可分为辐射干扰和传导干扰两种。一般可以用电路理论和数学知识结合起来对传导干扰进行分析，对干扰的各种元件的特性和物理量进行研究。但是辐射干扰错综复杂，干扰源的产生、相互作用用理论和数学公式表述极为复杂，分析起来比较困难，用仪表测量也不十分准确。

开关电源从用电电网中取得电能并将其转换为另一种特性的电能供给负载。同时，开关电源又是一种噪声的发源地，通过耦合通道对电网和其他用电设备进行干扰，而用电电网也载着各种非正弦波的干扰源进入开关电源。

什么是共模干扰？共模干扰就是干扰的大小和方向一致，在电源的任何一相对大地都存在。共模干扰也叫纵模干扰、接地干扰，其实质是载流子与大地之间的干扰。

差模干扰是干扰源的大小相等、方向相反，对一切导电体都产生的干扰信号。在电源的相线与中线或相线与相线之间都存在差模干扰。差模干扰也叫常模干扰、横模干扰或对称干扰，是载流子与载流子之间的干扰。

共模干扰是由以辐射方式或者通过干扰源耦合到电路中的，而差模干扰来自同一条电源电路。这两种干扰一般是同时存在的，但是由于每种电路的阻抗不一样，这两种干扰的深浅程度会有所不同。两种干扰在传输过程中还会互相转化，过程非常复杂。

开关电源的工作频率如果不高，就为干扰源的耦合、受干扰的电气设备构成了多路输入、多路输出的通道网络。将这种网络分解为共模干扰和差模干扰来研究，是最合适的处理方法。但是，将耦合通道分为共模通道和差模通道有一定的局限性和难度。虽然能在电路上测量出共模数量和差模数量，但是不容易确定这两种模数是由哪个元器件产生的。

3.辐射干扰的产生、传播和测量

辐射干扰分为近地干扰和远地干扰，由于辐射位置不同，对物体的辐射强度也不一样。根据麦克斯韦电场理论可知，导体中变化的电流会在它的周围空间中产生变化着的磁场，而变化着的磁场又产生变化着的电场，两者都遵循麦克斯韦方程式。变化着的电流幅值和频率决定了产生电磁场的大小以及作用范围的大小。天线是电磁辐射源。在开关电源电路中，主电路的开关管、滤波电容以及高频变压器等都可以认为是天线。从磁场理论分析可以得出，各元器件在工作期间每时每刻都在向空间辐射电磁干扰信号，将这些干扰信号叠加起来，就可以得到整个电路向空间产生的辐射量之和。这就是这台设备的辐射干扰磁场强度。

值得注意的是，不同回路的电流相位不一定相同，这一点对于计算磁场强度尤其重要。由于电路相位的不同，测量干扰源传播迟滞效应的时间就有差别；另一方面各个元器件本身的导电性能不同（如电感电流的相位比其他元器件的相位要滞后），也会导致相位不同。这就是所谓的迟滞效应。迟滞效应的结果会使电路的工作频率相对降低，但迟滞效应的作用不是很大，所产生的影响也较小。

我们知道，辐射干扰的频率高于30MHz的很少，若以测量电线上的感应电压来衡量干扰程度，这是不符合实际情况的，因此，必须通过直接测量传播到空间的干扰波来衡量辐射干扰的大小，这是真实的。辐射干扰的测量方法除直接测量传播到空间的干扰波以外，还要测量泄漏到电源线上的功率。用这种方法测量的结果一般是准确的，会得到美国、德国的认可。对于家用电器等小型电子设备，辐射干扰只是测量电源线上的辐射量，这种方法称为吸收钳位法，用这种方法测量辐射噪声干扰只是粗略的。要对开关电源的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）进行精确测量，所用的仪器很多，测量的环境（包括温度、湿度、室内电磁屏辐射量度、静电效应等级）都有严格的要求。仅靠吸收钳位法测得到的数据是不准确的，实际测量时环形天线离地面1m架设，在180°的范围内转动环形天线使测量值最大。当然被测设备也要选在最大辐射方向上，测量的结果与电场一样，单位是dB·μV/m。测量30kHz以上的辐射噪声时按电场强度测量，如图2-44所示。测量距离D为3～30m，被测设备的大小和测量最高频率应采用标准化环形天线，但是使用这种天线很难判别低频区辐射噪声。测量距离，其中D是测量距离（m），L为被测试设备的最大尺寸（m），λ为要测量最高频率的波长（m）。根据上式，被测试仪器的最大尺寸在1m以内，最高频率为1000MHz，则λ=3m，测量距离D=3m。若L超过1m，需要3m以上的测量距离。

再看图2-44所示的配置，工作台采用绝缘材料制成，高度为0.8～1m。被测设备在360°方向上都有辐射，因此，必须测量其最大值。这样转动台子比较方便。天线接收的辐射干扰波是两种波的合成，其中一种是直射波，另一种是大地的反射波。不必对两种波都进行测量，将两种波的矢量合成测量最大值。如果测量距离D恒定，则最大值、直射波与反射波的相位角随着天线高度与频率而变化。为了使相位一致，以获得最大值，需要调整天线的高度和它的方向。

对辐射干扰在室外测量时，要考虑场地的接地面和周围反射物的影响问题。接地面尺寸有图2-45a、b所示的两种方案。图2-45a为FCC OET-55方案，图2-45b为CISPR Pub22方案。前一种方案采用的接地面为菲涅尔椭圆，具有足够反射波的条件。

图2-44 辐射干扰的测量布局

图2-45 接地面方案

CISPR Pub22方案认为接地面由接收天线的最低频率、调谐型偶极天线的长度和待测设备的大小确定，这种方案不能得到足够的反射面。采用CISPR Pub22方案构成的接地面，用10m法测量的结果如图2-46所示。很明显，低频区的衰减量增加，这种增加是由于接地反射量不足引起的。也就是说，CISPR Pub22确定的接地面的面积不能完全覆盖菲涅尔区。图2-45中的W由下式确定：

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接地面的距离L为

式中，d=d₀+λ/2，d₀=d₂-d₁；R为收、发天线的距离；d₁为直射波传播距离；d₂为反射波传播距离；λ为波长。频率为30～200MHz时，其菲涅尔椭圆的尺寸如图2-46所示。

图2-46 菲涅尔椭圆尺寸

辐射噪声的测量方法为前面介绍的吸收钳位法，这是一种新方法，CISPR Pub14采用这种方法。经过多次试验，一般小型电子设备的辐射噪声是经电源线（相当于天线）辐射出去的。由此，可根据电源线的辐射噪声功率来推测辐射噪声的电场强度。吸收钳位法就是用铁氧体磁管吸收电源线的辐射噪声功率。用这种方法的条件是终端无反射。根据吸收量与噪声电流成比例的原理，用电流探针测出此量，就能测得辐射噪声功率，从而推测辐射噪声的电场强度。如果铁氧体磁管不能完全吸收辐射噪声的功率，就会影响测量精度。

4.电磁干扰抑制方法

开关电源的传导干扰是由输入电源传播的，会对所有的电子设备产生严重的干扰。抑制传导干扰最有效的方法是在电路的输入、输出端加滤波器，还有加缓冲器、减少耦合回路、降低寄生振荡等方式。近年来随着新的电子器件不断出现，人们提出了一些新的抑制方法，包括有新的控制理论和新的无源缓冲电路等。

（1）频率调制控制法

由于频率的变化而产生的干扰源的能量在开关频率下都集中在动态元器件上，要抑制这些动态元器件所产生的干扰频率，满足抑制EMI的标准，有一定的困难。开关频率、信号能量抑制是一种比较好的办法。能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列的分立的边频带。这样将干扰频谱展开，干扰能量被分割成小段分布在各个频段上，经过频率调制，抑制开关电源的EMI被化解、吸收，使这一干扰源能量减小。

以前采用随机频率（Randomized Frequency）控制的主要出发点是在电路中加进一个随机扰动信号，使开关的时间间隔进行不规则变化，则开关噪声频谱由原来离散的尖脉冲变成连续分布频率噪声，这样噪声峰值大大下降。

（2）无源缓冲电路

开关电源中的电磁干扰大多是由开关管产生的。其次，输出的整流二极管在导通时，其导通电流不仅将引起大量的开通损耗，还会产生大量的导通电磁干扰信号；在关断时，由于二极管极间电容的存在，同样产生电磁波信号。如果在电路上加进缓冲电路，不仅可以抑制二极管在开通和关断时的电磁干扰，而且具有电路简单、容易控制的特点，因而得到了广泛应用。但传统的缓冲电路结构复杂，很难控制，还可能产生高的电压、电流应力，对开关电源的使用寿命和工作可靠性造成不利。这种缓冲电路不能用于抑制电磁干扰。

图2-47所示是升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电流抑制电路，结构简单，可靠性高。

图2-47 升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电路

图2-48 输入、输出整流二极管电流抑制电路

如图2-47a所示，VT₁导通后，二极管VD₁截止。由于VD₁上的电压很高，VD₁截止后靠反向尖峰电流加以恢复，反向恢复电流只能由特定的变换器才能抑制。图2-47b所示电路可以较好地解决这一问题。该电路在图2-47a所示电路的基础上增加了二极管VD₂和电感L₂，这两个元件与主电路电感L₁串联，又与主二极管VD₁并联。当VT₁导通时，二极管VD₂、电感L₂对主电路进行分流，使VD₁上的电流为零，直至VT₁截止。由于L₂的作用，VD₂上的反向恢复电流很小，近似于零。这种变换器电路最重要的特点是限制了主二极管的反向恢复电流。这种方法还可以用在输入、输出整流二极管对反向电流的抑制方面。图2_-48就是这种方法的运用实例。主二极管的反向电流会对开关管造成很大的电流、电压应力，轻则增加电路的功率损耗，重则会使开关管损坏。图2-49所示是无损缓冲电路，它的工作原理是这样的：主开关管导通时，电流I_L分两部分，一部分流向二极管VD，即电流I_D；另一部分流向L₁，即电流I_L1。当开关管关断时，电流I_L1受VD₁、C₁的限制，利用L₁、C₁、C2之间的谐振及能量转换，实现对主二极管VD的反向电流的限制，使开关管的损耗、EMI的量大大减少。同时VT导通时，C₁上的能量通过二极管VD₂转移到C₂上；VT关断时，C₂和L₁上的能量传递到负载。这种缓冲电路的损耗很小，效率很高，很有参考价值。

图2-50所示是正激式无源补偿电路，利用磁性复位绕组，可以更加方便地进行补偿。补偿电容C_COMP与寄生电容C_PARA的容量大小一样。工作时变压器TR使C_PARA产生的干扰电流与C_COMP所产生的干扰电流大小相同、方向相反，二者叠加后相互抵消，消除了干扰电流。二极管VD₃不但可以保护开关管VT₁，还对TR产生电磁信号起到旁路作用。

图2-49 无损缓冲电路

图2-50 正激式无源补偿电路

（3）接地方法

“接地”有两种：一种是设备接大地，另一种是设备仪器信号接地。两者的概念不一样，目的也不同。前一种要求设备接地的接地电阻必须小于0.05Ω，后一种地是设备仪器电位的基准点。另外还有浮地，采用浮地的目的是将电路与公共接地系统可能引起的环流的公共导线隔离开。浮地可以使不同电位间的配合变得容易，可以增强抗干扰性能，使设备稳定工作。

（4）屏蔽方法

抑制开关电源产生辐射干扰以及外界对电源的干扰，采用屏蔽的方法是最有效的，也是最普遍的。屏蔽的材料除了电导率良好的金属材料外，还可用磁导率较高的磁性材料。脉冲变压器对磁通的泄漏是最容易发生的，有漏磁就会产生磁场干扰。对这一问题，可以利用闭合环形成磁屏蔽，使磁场在一个环形材料内循环，不向外界散射。另外，还可以对整个开关电源进行电场屏蔽。若用电场屏蔽，则外壳引出线一定要与地连接。磁场屏蔽与电场屏蔽是两个概念，屏蔽的方式有点不同。屏蔽还要考虑散热问题和通风问题，一般在屏蔽外壳上钻圆形通风孔，通风孔以多为好，但孔径要小，防止泄漏。屏蔽外壳的引入、引出线要采取滤波措施，否则不仅不起作用，还可能成为干扰磁场发射天线。如果进行磁场屏蔽，外壳则不需接地。

（5）滤波方法

开关电源用得最多的电流处理方法是滤波，如低通滤波、电源滤波、高频滤波、纹波滤波……低通滤波就是将滤波电路安装在开关电源的进线与桥式整流电路之间，它可减少从电网引入的传导干扰噪声，对提高开关电源的可靠性起着十分重要的作用。

传导干扰就是电磁噪声干扰，是开关电源的主要隐患之一。传导干扰又分差模干扰和共模干扰两种。一般共模干扰比差模干扰所产生的电磁辐射能量要大。抑制电磁辐射的最有效方法是采用无源滤波。