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高频开关变换器中EMI产生的机理及其抑制方法• 1 前言开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，广泛用于通信、自动控制、家用电器、计算机等电子设备中。
但是，其缺点是开关电源在高频条件下工作，产生非常强的电磁干扰〔Electromagnet ic Inte rf erence，EMI〕，经传导和辐射会污染周围电磁环境，对电子设备造成影响。
本文从开关电源的电路构造、器件进展分析，讨论了电磁干扰产生的机理及其抑制方法。
2 开关电源电磁干扰〔EMI〕产生的机理开关电源的电磁干扰，按耦合途径来分，可分为传导干扰和辐射干扰。
按噪声干扰源可分为两大类：一类是外部噪声，例如通过电网传输过来的共模和差模干扰、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等；另一类是开关电源自身产生的电磁干扰，如开关管、整流管的电流尖峰产生的谐涉及电磁辐射干扰。
其中外部噪声产生的影响可以通过电源滤波器进展衰减，本文不做讨论，仅讨论开关电源自身产生的电磁噪声。
常规交流输入的开关电源主要构造可以分为四大部分，其框图如图1所示。
其中输入与整流滤波部分、高频逆变部分、输出整流与滤波部分是产生电磁干扰的主要来源。
以下将通过对各部分电压、电流波形的分析，说明电磁噪声产生的原因。
2．1 工频整流器引起的电磁噪声一般开关电源为容式滤波，在输入与整流滤波部分电磁噪声主要是由整流过程中造成的电流尖峰、电压波动所引起的。
正弦波电源经过电源滤波器进展差模、共模信号衰减后，由整流桥整流、电解电容滤波，得到的电压作为高频逆变部分的输入电压。
由于滤波电容的存在，使整流器不象纯整流那样一组开通半个周期，而是只在正弦电压高于电容电压时才导通，造成电流波形非常陡峭，同时电压波形变得平缓。
电流、电压的波形如图2所示。
根据Fourier级数，图中的电流、电压波形可分解为直流分量和一系列频率为基波频率整数倍的正弦交流分量之和。
通过电磁场理论以及试验结果说明，谐波〔特别是高次谐波〕会产生传导干扰和辐射干扰。
摘要：开关电源的电磁干扰对电子设备的性能影响很大，因此，各种标准对抑制电源设备电磁干扰的要求已越来越高。
对开关电源中电磁干扰的产生机理做了简要的描述，着重总结了几种近年提出的新的抑制电磁干扰的方法，并对其原理、应用做了简单介绍。
1 引言随着电子设备的大量应用，电源在这些设备中的地位越来越重要，而开关变换器由于体积小、重量轻、效率高等特点，在电源中占的比重越来越大。
开关电源大多工作在高频情况下，在开关器件的开关过程中，寄生元件（如寄生电容、寄生电感等）中能量的高频变化产生了大量的电磁干扰（ ElectromagneticInterference ， EMI ）。
EMI 信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过在电路、空间中的传导和辐射，污染了周围的电磁环境，影响了与其它电子设备的电磁兼容（ ElectromagneticCompatibility ）性。
随着近年来各国对电子设备的电磁干扰和电磁兼容性能要求的不断提高，对电磁干扰以及新的抑制方法的研究已成为开关电源研究中的热点。
本文对电磁干扰产生、传播的机理进行了简要的介绍，重点总结了几种近年来提出的抑制开关电源电磁干扰产生及传播的新方法。
2 电磁干扰的产生和传播方式开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。
通常传导干扰比较好分析，可以将电路理论和数学知识结合起来，对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究；但对辐射干扰而言，由于电路中存在不同干扰源的综合作用，又涉及到电磁场理论，分析起来比较困难。
下面将对这两种干扰的机理作一简要的介绍。
2.1传导干扰的产生和传播传导干扰可分为共模（ CommonMode CM ）干扰和差模（ DifferentialMode DM ）干扰。
由于寄生参数的存在以及开关电源中开关器件的高频开通与关断，使得开关电源在其输入端（即交流电网侧）产生较大的共模干扰和差模干扰。
2.1.1 共模（ CM ）干扰变换器工作在高频情况时，由于 dv/dt 很高，激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容，从而产生了共模干扰。
抑制开关电源电磁干扰的措施开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式。
根据上篇分析的电磁干扰源，结合它们的耦合途径，可以从EMI 滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰，把电磁干扰衰减到允许限度之内。
1.交流输入EMI 滤波器滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入端接上滤波器可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。
电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。
电源进线端通常采用如图1 所示的EMI 滤波器电路。
该电路可以有效地抑制交流电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。
在电路中，跨接在电源两端的差模电容Cx1、Cx2 （亦称X 电容）用于滤除差模干扰信号，一般采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器，电容值通常取0.1~ 0. 47F。
而中间连线接地的共模电容Cy1和Cy2 （亦称Y 电容）则用来短路共模噪声电流，取值范围通常为C1=C2 # 2200 pF。
抑制电感L1、L2 通常取100~ 130H，共模扼流圈L 是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成，通常要求其电感量L#15~ 25 mH。
当负载电流渡过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。
因此，即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。
而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。
2.利用吸收电路开关电源产生EMI 的主要原因是电压和电流的急剧变化，因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率（ du/ dt 和di/ dt ）。
采取吸收电路能够抑制EMI，其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路，吸收积蓄在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰的发生。
可以在开关管两端并联如图2（ a）所示的RC 吸收电路，开关管或二极管在开通和关断过程中，管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压，可以通过缓冲的方法予以克服。
开关电源的电磁干扰及其滤波措施1引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。
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范围，又有一定的幅度，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EMI的原理开关电源产生EMI的因素较多，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因素。
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。
基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。
这是因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流，而是变成单向脉动电源，此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。
实验结果表明，较高的谐波(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，使接收机等产生噪声。
变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。
它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。
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) 由高频变压器产生的干扰。
开关电源中的电子干扰分析及解决办法开关电源因体积小、功率因数较大等优点，在通信、控制、计算机等领域应用广泛。
但由于会产生电磁干扰，其进一步的应用受到一定程度上的限制。
本文将分析开关电源电磁干扰的各种产生机理，并在其基础之上，提出开关电源的电磁兼容设计方法。
开关电源的电磁干扰分析开关电源的结构如图1所示。
首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。
电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。
同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。
图1 AC/DC开关电源基本框图1 内部干扰源● 开关电路开关电路主要由开关管和高频变压器组成。
开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。
开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。
当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感产生了反电势E=-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。
● 整流电路的整流二极管输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。
它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化di/dt，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。
● 杂散参数由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。
在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。
2 外部干扰源外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。
同时，由于交流电网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低(大约为0.6)。
而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。
开关电源的EMC设计产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感设备，EMC设计的目的就是破坏这3个条件中的一个。
开关电源中电磁干扰的产生及其抑制
摘要：电磁干扰对开关电源的效率和安全性及使用的影响日益成为人们关注的热点。
本文分析了开关电源中电磁干扰产生的原因和传播的路径，并提出了抑制干扰的有效措施。
关键词：开关电源、电磁干扰、耦合通道、电磁屏蔽
1 引言
电磁兼容EMC是英文electro magnetic compatibility 的缩写。
它包括两层含义，一是设备在工作中产生的电磁辐射必须限制在一定水平内，二是设备本身要有一定的抗干扰能力，它必须具备三个要素：干扰源、耦合通道、敏感体。
给电子线路供电的开关电源对干扰的抑制对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。
本文通过分析开关电源中的干扰源和耦合通道，提出了抑制干扰的有效措施。
并提出了开关电源中开关变压器的设计和制作方法。
2 开关电源中的干扰源和耦合通道
开关电源首先将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压，因此，自身含有大量的谐波干扰。
同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都会产生不同程度的电磁干扰。
开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大（即dV/dt或dI/dt很大）的元器件上，尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。
同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。
这里我们来分析一下几种干扰产生的原因及其耦合的路径。
2.1输入整流滤波电路产生的谐波干扰
开关电源输入端普遍采用桥式整流，电容滤波电路。
由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输入电流i成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，如图1所示。
这种畸变的输入电流，它除了基波外，还含有丰富的高次谐波分量。
2.2开关电路产生的干扰
如图2a所示开关电路是开关电源的核心也是主要的干扰源之一，它主要由开关管和高频变压器组成。
开关管产生的dV/dt具有较大的脉冲，频带较宽且谐波丰富。
这种脉冲干扰产生的主要原因是：
（1）在开关管导通瞬间，变压器初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，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能量将和开关管本身的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在开关管的关断电压上，形成关断尖峰电压。
这个噪声会传导到输人输出端，形成传导干扰。
（2）输出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V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向电流的浪涌。
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。
（3）高频变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。
如图2b所示，I1是变压器初级线圈电流，I2是二次线圈电流，VDS是开关管漏源极间电压，VD是二次侧输出二极管上两端电压。
开关管关断时产生频率为f1的干扰，而输出二极管反向电流引起频率为f2的干扰。
2.3干扰的耦合通道
由于变压器的初次级线圈间存在杂散电容，开关电路产生的共模干扰通过变压器在原副边相互传播。
相比较而言，差模干扰路径比较简单也易于处理。
本文主要介绍共模干扰的产生和抑制。
3 抑制干扰的措施
下面就几种干扰讲我们制作开关电源时采用的抑制方法。
3.1电源输入EMI滤波器
在电源进线端通常采用如图3所示电路。
该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：
（1）L，C1，C2用于滤除共模干扰信号。
L是共模电感，通常电感量为2mH～33mH左右。
C1，C2为旁路电容，又称Y电容。
电容量要求2200pF左右。
电容量过大会影响设备的绝缘性能。
（2）C3，C4用于滤除差模干扰信号。
C3，C4为电源跨接电容，又称X电容。
常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容。
电容量取0.22μF～0.47μF。
3.2开关管和输出二极管的缓冲电路
由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰，可以通过增加缓冲电路来减小。
如图4所示：
（1）图4中C1，R1，D1组成snubber电路，吸收残存在变压器漏感中的能量，能够减小开关管关断时的浪涌电压。
（2）图4中C2，R2，D2组成开关管缓冲电路，减小开关管的dV/dt，即减小由此产生的干扰。
（3）图4中C3，R3组成输出二极管的缓冲电路，减小di/dt，另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。
3.3高频变压器的设计和制作
变压器是开关电源的最关键器件之一。
变压器不仅要设计合理，在制作上也很有讲究。
一个好的变压器既要满足带负载能力，还要能起到减小和抑制干扰的作用。
首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。
确定变压器的线径及线数。
依据Bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考，综合考虑电流的趋肤效应，决定变压器的线径及线数。
根据电路的拓扑结构和设计要求，计算初次级绕组的电感量和匝数，如果是反激式电源还应计算变压器气隙的大小，气隙的大小决定了变压器的带负载能力，同时也会影响变压器漏感的大小。
而漏感是产生干扰的一个重要原因，在满足带负载能力的情况下，漏感以小些为好。
变压器的结构设计和绕组分配。
如图5，变压器有两种常见的绕法：顺序绕法和夹层绕法。
顺序绕法一般漏感为原边电感量的5%左右，但由于初，次级只有一个接触面，原副边间杂散电容较小。
夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3%左右，但由于初，次级有两个接触面，原副边间杂散电容较大。
漏感是产生干扰的重要因素，原副边间杂散电容是干扰的传播通道，为抑制干扰，既要减小漏感又要减小原副边间杂散电容。
因此，设计时应综合考虑这两个方面进行设计，具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。
变压器的屏蔽层。
在EMI干扰较强的情况下，常在变压器的初次级之间加入一层屏蔽层，如图6，通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径，让其都对地形成电容，其屏蔽效果非常好，可以大为减小EMI，同时对于电网串入的瞬
态干扰也有一定的抑制作用。
但变压器的制作工艺和成本都上升。
屏蔽层有铜层和绕线层两种，铜层的效果最佳。
输出整流滤波
为了增加对干扰的滤波效果，可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。
如图7所示，L1，C1组成二级滤波电路，滤除差模干扰;L2是输出共模电感，滤除输出电压中所含有的共模干扰。
3.5 PCB LAYOUT应注意的问题
布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。
因此应将所有通过高频交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。
印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。
根据印制线路板电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
4 结束语
我们在设计和制作反激式开关电源时，采用了上述措施，变压器采用顺序绕法带铜层屏蔽层，输出侧加共模滤波电感后，+5V输出电压波形上的毛刺和纹波的峰峰值都小于60mV，而在采用这些措施前毛刺和纹波的峰峰值大于500mV。
通过比较，我们发现这些措施确实能够对干扰起到很好的抑制作用。
抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，比如屏蔽技术、接地等等。
在设计开关电源时应综合
考虑各种因数，尽可能抑制开关电源的各种噪声，提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛应用。
资料整理——东莞市鸿泽洺电子有限公司。
