开关电源电磁干扰的抑制措施及应用

黄旭，隋斌

丹东华通测控有限公司，辽宁 丹东 118009

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。

应用实例：丹东华通测控有限公司生产的PDM系列智能电力综合监控仪表如：三相综合电力监控仪820系列仪表的开关电源部分就是采取切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，运用了屏蔽、滤波、接地等技术来提高电力仪表的抗扰能力。

3.1 采用屏蔽技术

由于功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热需要安装散热器或直接安装在电源底板上，这样易产生共模干扰，通过采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，从而割断了射频干扰向输入电网传播的途径。

3.2 做到安全接地

为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采用单点接地法，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。低频电路采用单点并联接地，高频电路采用多点接地，并把电源地、信号地和屏蔽地接到公共的地线上。与印刷线路板以外的信号相连时，采用屏蔽电缆，并对于高频和数字信号屏蔽电缆两端都接地。

3.3 滤波

在电源输入端接上滤波器，即可抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，又可抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。

3.4 PCB布线时所采取的措施

布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可起到天线的作用，噪声通过引线向外发射，因此布线时，将所有通过高频交流的电流印制线设计得尽可能短而宽，根据印制线路经电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。

在每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。一方面可提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

将所有连接到印制线和其他电源线的元器件放置得很近，主要信号线集中在PCB板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。屏蔽线上放置多个接地过孔，元器件与板保持水平且紧靠板。

3.5 元器件选用

尽量不选用比实际需要的速度更快的元件，在布局上，把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。输入器件与输出器件尽量远离，元件的引脚长度尽可能短，以减小元件分布电感的影响。

3.6 进行EMC测试

在测试仪器方面，我们选用了以雷击浪涌发生器、高频噪声抗扰度发生器、群脉冲发生器、静电发生器等为核心的自动检测系统，依据EMC标准规定的极限值作为判定依据，通过进行EMC测试可以消除绝大部分的电磁干扰，能指导产品如何改进设计、抑制EMI发射，从而进一步提高产品的可靠度。

现PDM系列智能电力综合监控仪表能适用多种复杂环境及恶劣场所，应用在诸永高速公路、北京德胜科技大厦项目等多个工程项目中。

4 结论

抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，在设计开关电源时应综合考虑各种因素，尽可能抑制开关电源产生的各种噪音，并通过提高开关电源的电磁兼容性来保证电子系统的正常稳定运行。

[1]张松春，赵秀芬，竺子芳，杨世宗.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].北京机械工业出版社，1999.

[2]滕旭，胡志昂.电子系统抗干扰实用技术[M].北京国防工业出版社，2004.

[3]王幸之，王雷，钟爱琴，王闪.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京航空航天大学出版社，2006.