详解开关电源的电磁干扰问题

开关电源电磁干扰(EMI)的抑制方法主要包括滤波技术、屏蔽技术、接地技术以及电路设计优化等方面。以下是对这些方法的详细阐述：

一、滤波技术

1. 输入滤波电路：在开关电源的输入端设计良好的滤波电路，主要用于抑制来自电网的电磁干扰进入电源，同时也阻止电源内部产生的干扰反流回电网。通常采用由电感和电容组成的π型滤波器。电容的选择要考虑其耐压值、容量和等效串联电阻(ESR)等因素，例如，选择容量为0.1\~0.47μF的陶瓷电容，其高频特性好，能有效滤除高频干扰。

2. 输出滤波电路：用于平滑输出电压，减少输出纹波和电磁干扰。对于输出电压较低、电流较大的情况，可以采用LC滤波器，其中电感值根据输出电流和所需的滤波效果来确定。

3. 增加EMI滤波器：在输入或输出线上增加EMI滤波器，如共模磁环或π型滤波器，进一步滤除高频噪声。

二、屏蔽技术

1. 整体屏蔽：使用金属外壳对开关电源进行封装，金属外壳可以起到良好的电磁屏蔽作用。外壳材料一般选择导电性好的金属，如铝或钢。在外壳的设计上，要保证其密封性，避免出现缝隙而导致电磁泄漏。

2. 关键元件屏蔽：对于开关电源中的主要干扰源，如开关管和变压器，单独使用屏蔽罩进行屏蔽。屏蔽罩可以采用铜或镀锡铁等材料制作，将其紧密地包裹在元件周围，并良好接地。

三、接地技术

1. 单点接地：在高频电路中，采用单点接地可以避免地线环路产生的电磁干扰。功率地(PGND)和控制地(AGND)应分开，最后单点连接。

2. 屏蔽层接地：屏蔽罩的接地方式也很重要，应该根据干扰频率来选择单点接地或者多点接地的方式。

四、电路设计优化

1. 选择合适的开关频率：开关频率是影响电磁干扰的关键因素。较高的开关频率可以减小磁性元件(如电感和变压器)的体积，但同时也会增加电磁干扰。因此，需要在两者之间进行权衡。例如，对于一些对体积要求不高的应用，可以适当降低开关频率，以减少高频电磁干扰的产生。

2. 优化电路布局：合理安排电路元件的位置，将产生干扰的元件(如开关管、变压器)与敏感元件(如控制芯片、反馈电路)分开布局。采用分区布局的方法，将电源电路分为输入区、功率变换区、输出区和控制区等不同区域。每个区域之间保持一定的安全距离，并且通过合理的布线连接，避免不同区域之间的电磁干扰相互影响。同时，在布局时要考虑元件之间的连线尽量短，特别是高频信号的连线，以减少电磁辐射。

3. 采用软开关技术：软开关技术可以减少开关过程中的能量损耗和电磁干扰。通过在开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件构成辅助网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零(零电压开通)或开关关断前使其电流为零(零电流关断)，从而降低或消除开关损耗和干扰。

4. 优化开关管驱动：降低开关速度，在MOSFET/IGBT的G极串联电阻，减小dv/dt。使用软开关技术减少开关损耗和噪声。增加缓冲电路，如RCD吸收电路，用于反激电源中，或在开关管两端并联RC缓冲电路(用于Buck/Boost电路)。

开关电源，作为高效节能的代表，在稳压电源领域占据主流地位。其内部元器件高频开关的特性，使得电源效率高达70%至90%，远超普通线性稳压电源。此外，开关电源无需工频变压器，通过高频变压器实现电压变换和电网隔离，不仅节省了空间，还简化了散热和滤波元件。

然而，开关电源的应用也面临电磁干扰的问题。电磁干扰(EMI)可能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备的性能，包括传导干扰和辐射干扰。要解决这一问题，需要从电磁兼容性(EMC)的角度出发，确保电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中能够正常工作。

1 开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源在运行过程中，会产生多种类型的电磁干扰。这些干扰主要分为两大类：一类是尖峰干扰，另一类是谐波干扰。同时，这些干扰也可以通过不同的耦合通路进行传播，包括传导干扰和辐射干扰。接下来，我们将从噪声干扰源的角度，对这两类干扰的产生机理进行详细阐述。

1.1 二极管反向恢复时间引发的干扰

在高频整流回路中，当整流二极管由正向导通转向截止时，会经历一个反向恢复过程。由于PN结中积累了大量载流子，在载流子消失之前，会出现一段反向电流流动的时间。这段时间内，反向恢复电流急剧减少，导致产生剧烈的电流变化(di/dt)。这种电流变化会形成一种干扰，对电路的稳定性和电磁兼容性产生影响。

1.2 开关管工作时产生的谐波干扰

在功率开关管的工作过程中，由于导通时流过较大的脉冲电流，会产生相应的谐波干扰。特别是在正激型、推挽型和桥式变换器中，当阻性负载时，其输入电流波形近似为矩形波，其中包含众多高次谐波分量。尽管在采用零电流、零电压开关的技术下，这种谐波干扰会有所减小，但仍然存在。此外，开关管截止期间，由高频变压器绕组漏感引发的电流突变，同样会产生尖峰干扰，对电路的稳定性构成威胁。

1.3 交流输入回路中的干扰问题

在开关电源中，若缺乏工频变压器，其输入端的整流管在反向恢复时，会产生高频衰减振荡，从而引发干扰。此外，开关电源所生成的尖峰干扰和谐波干扰能量，会通过其输入输出线路进行传播，进而形成所谓的传导干扰。同时，这些谐波和寄生振荡的能量在传播过程中，还会在空间中产生电场和磁场，进而以电磁辐射的方式产生干扰，这被称为辐射干扰。

1.4 其他干扰因素

元器件的寄生参数、开关电源原理图设计的不完美，以及印刷线路板(PCB)走线的随意性，都是导致电磁干扰(EMI)的因素。PCB的近场干扰问题突出，同时，印刷板上器件的安装、放置及方位的不合理，也会引发EMI干扰。

随着开关电源在市场上的广泛应用，其高功率密度和高效率的优势日益凸显。然而，随着功率半导体器件如MOSFET和JGBT的发展，以及开关技术的进步，开关电源的开关频率和功率密度不断攀升，内部的电磁环境也愈发复杂。这不仅威胁到周围电子设备的正常工作，也对电源本身提出了严峻挑战。因此，降低开关电源的EMI成为设计中的关键课题。

在电力电子系统中，功率变换部分和变压器部分是主要的干扰源，其噪声频谱虽宽但主要集中在低频段。由于功率变换部分和控制模块通常安装在同一PCB上，而前者往往是干扰源，后者作为弱电部分则容易受到干扰。手工布线的PCB走线增加了近场干扰估计的难度，可能导致控制模块无法正常工作。此外，开关频率的提升虽然带来了体积和重量的减小，但也使得辐射干扰问题愈发严重。开关电源的干扰源阻抗与网络的不匹配，以及无功功率的影响，都进一步增加了EMI滤波器设计的复杂性。同时，滤波器中的L、C组件还必须承受较大的无功功率，这不仅降低了整体效率，还增大了电源体积。另外，高频段难以达到设计要求也是开关电源EMI滤波器面临的重要问题。

1.5 开关电源EMI的特点

开关电源，作为一种能量转换装置，在开关状态下工作，其电压和电流变化率极高，因此产生的电磁干扰强度也相对较大。干扰源主要集中在功率开关器件及其相连的散热器、高平变压器等部位，与数字电路的干扰源相比，其位置更为明确。开关电源的频率范围通常从几十千赫兹到数兆赫兹，其主要的干扰方式包括传导干扰和近场干扰。

2 电磁干扰形成的三个因素

2.1 电磁干扰源

电磁干扰源是产生电磁干扰(EMI)的根源，它可以是一类组件、器件、设备、分系统、系统，甚至是自然现象。这些干扰源可分为两大类：自然干扰源和人为干扰源。前者包括雷电放电、沙漠地区的沙暴和尘暴等自然现象所产生的局部电磁干扰;后者则主要指电力线、旋转机械、点火系统等人为因素所引发的干扰。此外，电阻等电子元器件在工作过程中产生的热噪声也被视为一种电磁干扰源。

2.2 敏感设备

敏感设备，即那些可能对电磁干扰作出反应的设备。这些设备通常具有特定的接收和响应机制，一旦受到电磁干扰，便可能影响其正常工作。敏感设备的种类繁多，涵盖了从家用电器到通信设备、医疗仪器等多个领域。

2.3 耦合路径或称为耦合通道

耦合路径是能量从干扰源传递到敏感设备并引发其响应的媒介。根据耦合路径的不同，干扰可分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要通过导线传播，而辐射干扰则通过“场”进行传播。因此，在分析这两种干扰时，会分别运用“电路”理论和电磁场理论。

要消除电磁干扰，通常可以采取以下三种策略之一：消除干扰源、阻断干扰路径或降低敏感设备的敏感度。图1展示了形成电磁干扰的三个关键因素。

电磁干扰的形成涉及三个核心要素。首先，必须有干扰源，它产生不需要的电磁能量。其次，这些电磁能量必须通过某种路径，即耦合路径，从干扰源传递到敏感设备。最后，敏感设备必须具备响应这些电磁能量的能力，从而产生电磁干扰。通过理解这三个因素，我们可以更有效地分析和解决电磁干扰问题。

3 EMC相关标准概览

我国在EMC标准和规范方面起步相对较晚。直至1966年，我们才颁布了首个无线电干扰标准JB854-66，即“船用电气设备无线电干扰端子电压测量方法与允许值”。然而，近年来我国在借鉴国际标准的基础上，已建立起一系列的EMC标准和规范，如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法”和GJB1001—90“超短波辐射测量方法”等。

多数国家的安全和EMC标准是合并的。例如，CE认证(欧洲共同体认证)便是一个典型案例。同样，CCC认证(中国强制认证)也具有重要意义。通常，在特定地区销售的产品必须具备这些认证标志，以证明其同时符合安全和EMC标准。这些安全认证日益成为市场衡量产品质量的重要指标。对于电源工程师而言，他们通常只需关注欧洲EMI标准中的EN550022C，该标准专门针对IT设备。值得注意的是，该标准(最初被称为CISPR22，至今仍沿用此名)是我们必须高度重视的标准之一。

4 电磁兼容性的实施方法

随着电子技术的不断进步，电磁兼容性的实施逐渐形成了三种主要方法。

4.1 问题解决法

此方法首先进行设备的研制，随后在联试过程中针对出现的电磁干扰(EMI)问题，逐一运用相关技术进行解决。然而，这种方法相对滞后，因为系统装配完成后才发现问题，解决起来往往需要大量拆卸和修改，甚至可能涉及重新设计。这不仅造成资源浪费，还可能延误系统的开发进度。

4.2 规范法

规范法则是依据颁布的电磁兼容性标准和规范来进行设备和系统的设计制造。此方法在一定程度上能预防EMI问题的出现，相较于问题解决法更为合理。但需注意，标准和规范往往并非针对特定设备系统制定，因此可能存在预防过度的情况。此外，规范虽基于实践经验，但缺乏对EMI的深入分析和预测，可能导致不必要的成本增加。

4.3 系统法

系统法采用计算机技术，通过预测程序对特定系统的设计方案进行电磁兼容性预测和分析。此方法从设计初期就开始预测和分析设备的电磁兼容性，并在整个设计、制造、组装和实验过程中持续进行。若预测结果显示存在不兼容问题，则可及时修改设计并重新预测，直至达到完全兼容的状态再进行硬件生产。

5 当前电磁干扰的抑制措施

电磁干扰的形成涉及三个关键要素：干扰源、传播途径和受扰设备。针对这些要素，我们提出了相应的抑制策略。首要任务是抑制干扰源，从根本上消除干扰;其次，要阻断干扰源与受扰设备之间的耦合和辐射，即切断电磁干扰的传播路径;最后，提升受扰设备的抗扰性，降低其对噪声的敏感度。

目前，常用的电磁干扰抑制措施主要包括屏蔽、接地和滤波。屏蔽技术能够有效减少开关电源的电磁辐射干扰。例如，通过合理布置绝缘片和屏蔽片，可以割断射频干扰向输入电网的传播路径。此外，接地也是抑制电磁干扰的重要手段。将电源部分与大地相连，不仅可以抑制变化电场的干扰，还能为信号回路提供稳定的参考电位。因此，在系统中，安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线等都需要妥善接地，以确保电磁干扰得到有效抑制。

在电路系统设计中，我们应遵循“一点接地”的原则，以避免形成多点接地所导致的闭合接地环路，从而减少磁感应噪声的产生。然而，在实际操作中，“一点接地”往往难以实现。因此，为了降低接地阻抗并消除分布电容的影响，我们可以采用平面式或多点接地方法。具体来说，就是利用一个导电平面(如底板或多层印制板电路的导电平面层)作为参考地，将需要接地的各部分就近接到该参考地上。此外，通过旁路电容的使用，可以进一步减小接地回路的压降，从而降低返回电流的幅值。

在低频和高频共存的电路系统中，我们需要将低频电路、高频电路和功率电路的地线分别单独连接后，再统一接到公共参考点上。这样可以更好地分离不同频率的信号，减少相互干扰。

同时，滤波也是抑制传导干扰的重要手段。例如，在电源输入端加入滤波器，可以有效抑制开关电源产生的干扰反馈到电网中，并防止电网噪声对电源本身的干扰。滤波电路中还包含许多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器和铁氧体磁环等，它们能够进一步改善电路的滤波特性。因此，合理设计和选择滤波器，并确保其正确安装和使用，对于提高系统的抗干扰能力至关重要。

另外，EMI滤波技术也是一种有效的抑制尖脉冲干扰的措施。它能够滤除多种原因产生的传导干扰，确保系统的稳定性和可靠性。关于EMI滤波技术的具体实现细节，可以参考相关文献进行深入了解。

开关电源中的电压电流波形，如开关管的驱动波形和MOSFET漏源波形，大多呈现为接近矩形的周期波。这些矩形波的基波频率与周期相关，而由脉冲边缘引起的频率分量则与上升或下降时间有关。这些高频信号不仅干扰了开关电源的基本信号，还对控制电路的信号造成了严重影响。

从噪声源的角度来看，开关电源的电磁噪声可分为两大类：一类是外部噪声，如电网传输的共模和差模噪声，以及外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰;另一类则是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管电流尖峰所引发的谐波及电磁辐射干扰。

在设计和优化开关电源时，必须充分考虑这些电磁干扰问题。一方面，要确保开关电源不会对电网和其他电子设备造成干扰;另一方面，也要加强其自身对电磁环境的适应能力。通过深入理解和分析开关电源噪声的产生原因和途径，我们可以为设计出更符合电磁兼容要求的开关电源提供有力的理论支持和实践指导。

图1展示了开关电源中常见的噪声类型。其中，电源线引入的电磁噪声是一个重要问题。这类噪声主要由电网中其他用电设备产生的电磁骚扰，通过电源线传播而来。它主要分为两大类：共模干扰和差模干扰。

共模干扰，简而言之，就是任何载流导体与参考地之间出现的非期望电位差。而差模干扰，则是指任何两个载流导体间的不期望电位差。这两种干扰的等效电路如图2所示，其中CP1代表变压器初、次级间的分布电容，而CP2则是开关电源与散热器间的分布电容，即开关管集电极与地之间的分布电容。接下来，我们将深入探讨共模干扰的具体情况。

(b)差模干扰

接下来，我们将转向探讨差模干扰。

图2 两种干扰的等效电路

在图2(a)中，当开关管V1从导通状态转为截止状态时，其集电极电压会突然升高至高电压。这个电压变化会导致共模电流Icm2向CP2充电，同时共模电流Icm1向CP1充电。这种分布电容的充电过程与开关电源的工作频率密切相关，从而形成了线路中的共模电流总和(Icm1+Icm2)。

另一方面，在图2(b)中展示的是V1导通时的情况。此时，差模电流Idm和信号电流IL会沿着由导线、变压器初级以及开关管构成的回路流动。值得注意的是，共模干扰电流并不经过地线，而是通过输入电源线进行传输。而差模干扰电流则通过地线和输入电源线构成的回路进行传输。因此，在设计和实施电源线滤波器时，必须充分考虑这两种干扰模式的差异，以确保能够有效地使用差模或共模滤波元件来抑制干扰，从而实现最佳的滤波效果。

1.2 输入电流畸变引发的噪声问题

开关电源的输入端通常采用桥式整流和电容滤波的方式。在没有PFC(功率因数校正)功能的输入级中，整流二极管的非线性和滤波电容的储能特性会导致二极管的导通角缩小。这使得输入电流i呈现出时间短暂且峰值极高的周期性尖峰特征。这种畸变的电流不仅包含基波分量，还蕴含丰富的高次谐波分量。这些高次谐波一旦注入电网，就会引发严重的谐波污染问题，对电网中其他电器设备造成干扰。为了有效控制开关电源对电网的污染并实现高功率因数运行，PFC电路的应用变得至关重要。

图3 未加PFC电路的输入电流和电压波形

1.3、开关管及变压器产生的干扰

主开关管作为开关电源的心脏，同时也是一个不可忽视的干扰源。其工作频率与电磁干扰的强度紧密相关。随着开关管频率的升高，电压和电流的切换速度加快，导致传导干扰和辐射干扰同步增强。此外，钳位二极管的反向恢复特性不佳，或电压尖峰吸收电路参数选择不当，都会进一步加剧电磁干扰的问题。

在开关电源的工作过程中，初级滤波大电容、高频变压器初级线圈与开关管共同构成了一个高频电流环路。这个环路会产生显著的辐射噪声。特别是，开关管在通断时，由于高频变压器的初级两端会出现尖峰噪声，这不仅可能造成干扰，严重时甚至可能击穿开关管。此外，变压器绕组间的分布电容和漏感也是不可忽视的电磁干扰源。

1.4、输出整流二极管产生的干扰

实际中的二极管在承受反向电压时，由于PN结内电荷的积累与释放，会产生一个反向恢复电流。这个电流在变压器漏感和其他分布参数的作用下，会形成强烈的高频衰减振荡，从而成为开关电源中的一个主要干扰源。为了抑制这种干扰，可以在二极管两端并联RC缓冲器。

1.5、分布及寄生参数引起的开关电源噪声

在开关电源中，由于分布电容、寄生电感等参数的存在，会引发一系列的噪声问题。这些噪声不仅会影响开关电源自身的性能，还可能对其他电器设备造成干扰。因此，在设计和优化开关电源时，必须充分考虑这些分布及寄生参数的影响，以确保电源的稳定性和可靠性。

开关电源中的分布参数，如开关电源与散热器间的分布电容、变压器初次级间的分布电容，以及原副边的漏感，都是引发噪声的关键因素。这些分布参数不仅影响开关电源的性能，还可能对其他电子设备造成干扰。其中，共模干扰主要通过变压器初、次级间的分布电容以及开关电源与散热器间的分布电容进行传输。变压器绕组的分布电容与高频变压器的绕组结构和制造工艺紧密相关，可以通过优化工艺、增强绕组间绝缘或采用法拉第屏蔽等方式来减小。而开关电源与散热器间的分布电容则与开关管的结构和安装方式有关，通过使用带有屏蔽的绝缘衬垫可以降低这种分布电容。

在高频工作状态下，开关电源中的元件会呈现出高频寄生特性，这将对它们的工作状态产生显著影响。例如，导线在高频时可能变为发射线，电容则可能变为电感，电感变为电容，而电阻则可能形成共振电路。这些变化都可能导致开关电源的不稳定。因此，在设计开关电源时，必须充分考虑元件在高频下的特性，并选择具有优异高频性能的元件。此外，导线在高频时的寄生电感感抗会显著增加，由于电感的不可控性，这可能使导线变成一根发射线，从而成为开关电源中的辐射干扰源。