开关电源的抗干扰设计

PFM开关电源控制电路的抗电磁干扰设计徐振邦;居水荣;王天赦;沈济【摘要】为提高PFM开关电源控制电路的抗电磁干扰能力,分析了PFM模式开关电源控制电路的抗电磁干扰原理,提出了随机载波频率调制技术和相应的电路实现方法;列举了几种电源系统抗电磁干扰设计技术,包括ESD保护结构的抗EMI设计方法、电源上干扰的去除方法和基于电压检测电路的抗干扰设计方法.将以上抗干扰设计技术应用在PFM模式开关电源控制电路SX1618中,采用1 μm 40 V高压工艺设计,通过进行流片和封装,并将之应用在实际的开关电源中,其传导EMI通过了相应标准的测试.%To improve Anti-electromagnetic interference level,the principle of anti-EMI for PFM SMPS IC is analyzed, and the Random Carrier Frequency Modulation(RCFM) technology is given,the implementation of RCFM circuit is proposed.Several anti-EMI technologies for power supply are listed,which include anti-EMI design for ESD structure, the method for EMI removing from power supply and anti-EMI design by using voltage detection. RCFM and other anti-EMI technologies are applied to PFM controller SX1618,which is implemented in 1 μm 40 V high voltage process,and the test result shows that the anti-EMI performance is good.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)002【总页数】7页(P536-542)【关键词】集成电路设计;抗电磁干扰;随机频率调制;电源干扰;开关电源控制电路;脉冲频率调制【作者】徐振邦;居水荣;王天赦;沈济【作者单位】江苏信息职业技术学院微电子学院,江苏无锡214153;江苏信息职业技术学院微电子学院,江苏无锡214153;江苏信息职业技术学院微电子学院,江苏无锡214153;江苏信息职业技术学院微电子学院,江苏无锡214153【正文语种】中文【中图分类】TN432所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化,有时变化速率还相当快,这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量,而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中,形成令人困扰的电磁干扰EMI(ElectroMagnetic Interference)问题。

开关电源电磁干扰的抑制措施及应用摘要本文先分析了开关电源的工作原理、EMI的特点，并结合PDM智能电力综合监控仪表就如何进行有效的开关电源电磁干扰抑制措施，即电磁兼容性设计进行了分析，并提出一些参考建议。

关键词开关电源；电磁干扰；电磁兼容性设计1 概述由于开关电源的电磁干扰EMI信号输出既能有很宽的频率范围，又具有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。

因此，如何进行电磁兼容性设计，有效地抑制开关电源的电磁干扰，对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。

2 开关电源的电磁干扰2.1 开关电源的工作原理直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。

功率转换部分是开关电源的核心，主要由开关三极管和高频变压器组成。

它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（其原理图及等效原理框图如图1所示）。

2.2 电磁干扰EMI的特点作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大，干扰源主要集中在开关管、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。

相对于数字电路干扰源的位置较为清楚，开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；PCB走线因需采用手工调整，具有随意性，这更增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

3 电磁兼容性EMC设计图1电磁兼容性EMC设计包括两层含义，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。

形成电磁干扰的三要素是干扰源、耦合通道、敏感体。

因而，抑制电磁干扰即进行电磁兼容性EMC设计首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。

开关电源的抗干扰措施1电路的隔离1．1开关电源电路隔离方式开关电源包括两部分，即变换部分与控制部分。

前者属于功率流强电范畴，后者属于信息流弱电范畴。

一般情况下前者是主电磁干扰源，后者是被干扰对象。

为了使电力电子设备可靠地运行，除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。

抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电磁兼容问题。

隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一，并且随着数字式开关电源的研究与开发，也是提高单片机抗干扰能力的重要措施。

在开关电源中，电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。

主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。

开关电源的模拟信号控制系统的隔离与测量系统中模拟信号的隔离类似，即交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用线性隔离器(如线性光电耦合器)隔离。

数字电路的隔离主要有：脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。

其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离(个别情况下采用)。

在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声效果，使开关电源符合电磁兼容性的要求。

1．2变压器耦合隔离1．2．1变压器耦合变压器只能传输交流信号，不能传输直流信号。

因此对地线的低频干扰具有较好的抑制能力，并且电路单元间传输的信号电流只能在变压器绕组中流过，不流经地线，也可以避免对其他电路的干扰，如图1所示。

1．2．2脉冲变压器隔离脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁心的两侧，这种工艺使得它的分市电容很小，仅为几个皮法，所以可作为脉冲信号的隔离元件。

脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。

一、工作原理我们先熟悉一款开关电源的工作原理，该电源可输出5V电压，如图1所示。

1. 抗干扰电路在电网输入端首先设置一个NTC5D-9负温度系数热敏电阻，作用是保护后面的整流桥，刚开机时热敏电阻处于冷态，阻值比较大，可以限制输入电流，正常工作时，电阻比较小。

这样对开机时的浪涌电流起到有效的缓冲作用。

电容CY1、CY2、CY3、CY4用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的不对称杂散信号，电容CX1、CX2用以滤除从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的对称杂散信号，用电感L1抑制从工频电网上进入开关稳压电源和从开关稳压电源进入工频电网的频率相同、相位相反的杂散干扰电流信号。

采用高频特性好的瓷片电容和铁芯电感，实现开关稳压电源电路中的高频辐射不污染工频电网和工频电网上的杂散电磁波不会窜入开关稳压电源电路中而干扰和影响其工作，对高频分量或工频的谐波分量具有急剧阻止通过功能，而对于几百赫兹以下的低频分量近似一条短路线。

图1 开关电源的工作原理图2. 整流滤波电路在电路中D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路，把输入的交流电压进行全波整流，然后用C1进行滤波，最后变成直流输出供电电压，为后级的功率变换器供电，整流滤波后的电压约为300V。

3. UC3842供电与振荡300V的脉动直流电压，此电压经R12降压后给C4充电，供电UC3842的7脚，当C4的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6脚输出推动开关管工作。

一旦开关管工作，反馈绕组的能量经过D6整流，C4滤波，又供电到UC3842的7脚，这时可以不需要R12的启动了。

C9、R11接UC3842的定时端，和内部电路构成振荡电路，振荡的工作频率计算为：f=1.8/（Rt*Ct）代入数据可计算工作频率：f=68.18K4. 稳压电路该电路主要由精密稳压源T L 4 3 1 和线性光耦P C 8 1 7 组成，假设输出电压↑→经过R 1 6 、R 1 9 、R20、RES3的取样电压↑→TL431的1脚电压↑，当该脚电压大于TL431的基准电压2.5V时，TL431的2、3脚导通，→通过光电耦合到UC3842的2脚，于是UC3842的6脚驱动脉冲的占空比↓→开关变压器T1绕组上的能量↓→输出电压↓，达到稳压作用；反之，假设输出电压下降，则稳压过程与上相反。

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。

抑制开关电源电磁干扰设计要点及方法随着开关电源的小型化，开关就要高频化，这种高频化，其基波本身也就构成了一个干扰源，发出一种更强的传导干扰波，此外通过改进元器件达到高频化的同时，也会因辐射干扰波而导致一种超标准值的杂散的信号。

这些信号构成了电磁干扰（EMI），被干扰对象是无线电通信。

开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率，导致开关电源产生较强的电磁干扰。

电磁干扰信号不仅对电网造成污染，还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，造成电磁污染，制约着人们的生产和生活。

开关电源电磁干扰的抑制形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。

因而，抑制电磁干扰应从这三方面人手。

抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力，从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。

采用滤波器抑制电磁干扰滤波是抑制电磁干扰的重要方法，它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备，还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。

在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器，不但可以解决传导干扰问题，同时也是解决辐射干扰的重要武器。

滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波2种方式。

无源滤波技术无源滤波电路简单，成本低廉，工作性能可靠，是抑制电磁干扰的有效方式。

无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是解决传导发射。

由于原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会产生脉冲尖峰电流，这个电流由非常多的高次谐波电流组成，对电网产生干扰；另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。

由于电流变化率很高，对周围电路会产生出不同频率的感应电流，其中包括差模和共模干扰信号，这些干扰信号可以通过2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。

图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号，又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。

又根据电磁感应定律，得E=Ldi／dt，其中：E为L两端的电压降；L为电感量；di／dt为电流变化率。

如何解决电路中的电源抗干扰问题电源抗干扰问题常常困扰着电路设计师和电子工程师。

当电路中存在干扰源时，电源抗干扰能力的强弱将直接影响整个电路的稳定性和性能。

为了解决这一问题，本文将介绍几种常用的电源抗干扰技术和方法，并给出实际应用的案例。

一、电源抗干扰问题的原因电源抗干扰问题主要源于以下几个方面：1. 环境干扰：来自电源供应、电磁辐射以及其他电器设备的干扰信号会通过电源线路传播到整个电路中，影响电路的正常工作；2. 电源线路的干扰：电源线路中存在电感、电容等元件，会产生阻抗变化，引起电源的涟漪以及噪声，导致电压波动；3. 电源本身的干扰：电源本身的工作特性以及设备寿命等因素也会影响电源的稳定性。

二、电源抗干扰的解决方法针对电路中的电源抗干扰问题，可以采用以下几种解决方法：1. 滤波技术滤波技术是解决电源抗干扰问题最常见的方法之一。

通过使用低通滤波器、降噪电容、降噪电感等元件，可以有效地过滤掉电源中的高频噪声和涟漪，保证电路的稳定性。

在设计电路时，可以在电源输入和负载之间增加滤波电容，同时选择合适的电感元件，用来抑制高频信号和电源的涟漪。

2. 设备分离通过合理的布局和设计，将敏感的模拟电路和数字电路等不同类型的设备隔离开来，可以减少干扰信号的相互影响。

此外，还可以使用屏蔽罩、隔离电缆等措施，将不同模块或设备之间的电源线路完全分开，从而进一步提高电路的抗干扰能力。

3. 地线设计地线设计是电源抗干扰中十分重要的一环。

合理的地线布线可以减少共模干扰和传导干扰，提高电路的抗干扰能力。

在电路设计中，应尽量缩短地线长度，减少地线回路面积，采用宽、平的地引线，避免地线突变等措施，以降低地线电阻和电感，减小干扰信号的传输。

4. 选择合适的电源电源的选择对于电路的抗干扰能力至关重要。

在设计电路时，应优先选择稳定性好、噪声小的电源产品，尽量避免使用开关电源等容易产生电源涟漪和噪声的产品。

此外，还可以考虑使用隔离型电源、稳压电源等专用电源产品，进一步提高电路的抗干扰能力。

开关电源EMI滤波器原理和设计研究开关电源EMI滤波器是用来减少开关电源产生的电磁干扰(EMI)的一种装置。

EMI是指开关电源工作时产生的高频干扰信号，可能会对其他电子设备、无线通信和无线电接收产生干扰，影响它们的正常工作。

EMI滤波器通过合理设计，能有效地抑制开关电源产生的EMI信号，从而减少对其他设备的干扰。

EMI滤波器的原理是基于电流和电压的相位关系来实现的。

开关电源在工作时会产生高频电流脉冲，而这些电流脉冲会通过开关电源输入端的电容等元件，从而形成高频电流回路。

EMI滤波器通过给开关电源输入端加上一个电感元件，阻断高频电流回路的形成，从而减小EMI信号的辐射。

设计EMI滤波器时需要考虑以下几个因素：1.工作频率范围：EMI滤波器需要在开关电源产生EMI信号的频率范围内有效工作。

根据具体的应用环境和要求，选择合适的滤波器工作频率范围。

2.滤波特性：滤波器需要具有良好的滤波特性，对于较高频率的EMI信号能够有较好的抑制效果。

常用的滤波器类型有低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

3.过渡区域：滤波器在过渡区域需要平衡阻抗和频率之间的变化。

过渡区域越宽，滤波器的性能越好。

过渡区域的宽度需要根据具体要求进行设计。

4.安全和可靠性：EMI滤波器需要满足安全和可靠性的要求。

在设计过程中，需要考虑电源参数范围、电流和电压的安全范围等因素，以确保滤波器的稳定性和可靠性。

设计EMI滤波器的方法有多种，可以根据需求选择不同的设计方法。

常见的方法包括线性滤波器设计、Pi型滤波器设计和C型滤波器设计等。

其中，Pi型滤波器是应用最广泛的一种，它由两个电感和一个电容组成，能够对高频信号进行抑制。

总之，开关电源EMI滤波器的原理和设计研究是为了降低开关电源产生的电磁干扰，保证其他设备的正常工作。

通过合理的滤波器设计和选择合适的滤波器类型，可以有效地减少EMI信号对其他设备的干扰，提高系统的抗干扰性能。

开关电源抗干扰的措施本文从屏蔽、接地、PCB板的布局与布线几方面，对开关电源电路的抗干扰措施进行了详尽的分析讨论，以确保开关电源的正常工作。

标签：屏蔽接地抗干扰电磁兼容开关电源一般采用脉冲宽度调制技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高。

然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰源，它产生的电磁干扰直接危害着电子设备的正常工作，为了确保开关电源工作的可靠性，必须进行抗干扰设计。

抗干扰措施包括屏蔽、接地、PCB 板的布局与布线等，这里仅对屏蔽、接地、PCB板的布局与布线这几种抗干扰措施进行分析讨论。

1.屏蔽技术。

抑制开关电源电磁干扰的有效方法是屏蔽。

即用导电良好的材料对电场进行屏蔽，用导磁率高的材料对磁场进行屏蔽。

用电磁屏蔽的方法解决EMI问题的好处是不会影响电路的正常工作。

屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。

在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使其电磁波产生衰减。

对抗电磁波较弱的元器件，必要的情况下也应采取相应的屏蔽措施。

2.接地技术。

（1）接地。

接地技术是开关电源抗干扰技术和电磁兼容技术的重要内容之一。

不正确的工作接地反而会增加干扰。

比如共地线干扰、地环路干扰等。

为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作，根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类。

（2）交流地与直流地分开。

一般交流电源的零线是接地的。

但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。

另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。

因此，在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。

（3）模拟地与数字地分开。

随着数字开关电源的开发，为了抑制对数字芯片的干扰，数字芯片与模拟电路必须进行隔离。