开关电源产生电磁干扰的产生、耦合方式及抑制措施

开关电源在电子设备中扮演着重要角色，它将输入的交流电或直流电转换为所需的直流电压，用于驱动各种电路。由于开关电源工作在高频开关状态，其不可避免地成为强干扰源，对电子设备的正常工作构成威胁。因此，了解开关电源产生电磁干扰（EMI）的机制、耦合方式以及采取有效的抑制措施是开发和设计高质量开关电源的关键所在。 在开关电源中，电磁干扰的产生主要有两大来源，分别是内部干扰和外部干扰。 开关电源内部干扰主要由以下几个方面构成： 1. 基本整流器：整流过程中会生成高次谐波电流干扰。工频交流电通过整流后，不再是单一频率的电流，而是变成了直流分量加上一系列频率不同的谐波分量。这些谐波电流会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，导致前端电流发生畸变。 2. 功率变换电路：作为开关稳压电源的核心，功率变换电路产生的干扰以尖峰电压干扰为主。其中，开关管在流过大脉冲电流时，波形中包含许多高频成分，从而在电源内部引线间形成分布电容，造成回路瞬间短路，产生大电流尖峰噪声。此外，高频变压器由于漏感也会产生电磁感应噪声，同时变压器层间分布电容将一次侧的高次谐波噪声传递到次级，进一步产生噪声。 3. 整流二极管：在高频整流应用中，整流二极管的反向恢复时间会在其两端产生尖峰电压，该电压会在变压器漏感及其他分布参数影响下产生强高频干扰。 除了这些主要干扰源，电容、电感器和导线等低频元件在高频率下工作时，其特性也会发生变化，导致噪声的产生。 开关电源还受到外部干扰的影响，这些干扰可以是“共模”或“差模”形式存在，例如电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波等。它们可以通过电源线进入设备，对用电设备造成破坏或影响。 为了抑制这些干扰，通常采取以下几种耦合途径的抑制措施： 1. 传导耦合抑制：传导耦合是干扰源与敏感设备之间主要的耦合途径。需要在骚扰源与敏感设备间确保没有完整的电路连接，或者采用滤波器、屏蔽、接地和隔离等措施来阻止电磁骚扰的传递。 2. 辐射耦合抑制：辐射耦合通过电磁场的形式传递干扰能量。在设计时应尽量减少天线效应，避免导线感应耦合，同时使用屏蔽、接地等方法减少高频电磁场的干扰。 在进行抑制措施设计时，应综合考虑开关电源的工作频率、电路布局、器件选型、PCB布线、滤波网络、屏蔽和接地等多种因素，以达到最佳的电磁兼容性（EMC）效果。这包括但不限于： - 使用低导通电阻和较小的开关电流上升和下降时间的开关管，以减少高频成分的干扰； - 在设计高频变压器时，合理选择磁芯材料、匝数比及漏感，以降低其噪声； - 合理选择和使用滤波电容，如在输入端和输出端增加滤波电路来抑制尖峰电压和电流； - 采用适当的屏蔽技术，如金属外壳屏蔽、铜箔屏蔽等； - 优化电路布线，减少导线之间的耦合； - 在电路设计中应用共模扼流圈、差模滤波器等抑制元件。 开关电源的设计和开发人员必须对这些干扰和抑制技术有充分了解，并在设计阶段就考虑到EMC问题，才能确保产品能够在实际环境中长期安全可靠地工作。通过上述的细致设计和严格测试，可以显著提高开关电源的电磁兼容性能，满足越来越严格的国际和行业电磁干扰标准，确保电子设备不受干扰影响，稳定运行。