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產品知識

開關電源的電磁干擾

1.導引
    隨著電力電子技術和功率器件的發展，開關電源以其體積小、重量輕等特點，在電氣產品中得到了應用。
    由于開關電源工作在高電壓、大電流的開關狀態下，隨著開關電源向高頻大功率發展，功率密度的增加導致電源內部電磁環境變得更復雜，不可避免地產生嚴重的電磁干擾(Eectromagnetic Interference，簡稱EMI)，對電源品本身及周圍電子設備的正常工作造成威脅。
    隨著電磁兼容(EectromagneticCompatibili-ty，EMC)法規的日益嚴格，因此，減少和抑制開關電源的電磁發射成為安規認證中的關鍵，也是開關電源設計中的重要課題。

2.開關電源為何存在電磁干擾
    開關電源將市電直接整流濾波成為直流高壓，然后通過逆變器轉換成低壓的高頻交流電壓，再經過二次整流和濾波變成所需要的直流低電壓。開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。整流電容充電放電，開關管和輸出整流二極管的電壓、電流在高頻工作時的快速切換都是這類電磁干擾源，它們通過電源線以共模或差模方式向外傳導，同時還向周圍空間輻射電磁能量。
    輸入/輸出電源線布線不合理、PCB布線不合理、結構設計的不合理、電源線輸入濾波不合理及CPU或檢測電路的設計不合理都會導致系統工作的不穩定。此外用于整流及續流的二極管也會產生高頻干擾，成為干擾源。

3.電磁干擾的分類及產生機理

3.1電磁干擾的產生方式
    開關電源先將工頻交流整流為直流，再逆變為高頻，后經過整流濾波電路輸出，得到穩定的直流電壓，因此自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現在開關管、二極管、高頻變壓器等上。
    ●開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導型電磁干擾，既影響變壓器初級，還會使傳導干擾返回配電系統，造成電網諧波電磁干擾，從而影響其他設備的安全和經濟運行。
    ●整流電路中，在輸出整流二極管截止時有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中，能將反向電流迅速恢復到零的二極管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下，將產生較強的高頻干擾。
    ●高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。
    ●開關電源工作在高頻狀態下，因而其分布電容不可忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上，再流到機殼地，產生共模干擾；脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容，可在副邊作直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。

3.2電磁干擾的傳輸方式
    電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導傳輸方式；另一種則是輻射傳輸方式。傳導干擾產生于開關電源的開關管開通與關斷。多數小功率開關電源的幾何尺寸遠小于30MHz 電磁場對應的波長(空氣介質中約為1m)，開關電源系統研究的電磁干擾現象屬于近場的范圍。研究它們的電磁干擾問題時，主要考慮的是傳導干擾。傳導干擾包括差模干擾和共模干擾。差模干擾是產生于電源正負之間的對稱性干擾；共模干擾是產生于電源正負之間的非對稱性干擾。對于傳導干擾來說，濾波是壓縮干擾頻譜的基本手段。開關電源一般利用儲能電感和電容器C組成的濾波電路，實現對差模及共模干擾信號的濾波。無源濾波器是電磁兼容性(EMC)技術的基礎元器件之一。但是濾波電容器隨著干擾信號頻率的上升，引線電感的作用導致電容器濾波效果不斷下降，甚至導致電容參數改變，從而，電容器也是產生電磁干擾的另一個原因。
    輻射傳輸是干擾信號通過介質以電磁波的形式向外傳播的干擾形式。常見的輻射耦合有三種：1)一個天線發射的電磁波被另一個天線意外地接收，稱為天線對天線的耦合；2)空間電磁場經導線感應而耦合，稱為場對線的耦合；3)兩根平等導線之間的高頻信號相互感應而形成的耦合，稱為線對線的感應耦合。

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