广播设备开关电源电磁干扰研究

 
杨天义  裴锋
海峡之声广播电台  

　　开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在广播设备中广泛应用，例如我台发射机激励器、台式电脑以及调音台等设备，但因其会产生较强的电磁干扰，容易对电网和广播设备的稳定工作造成不利影响。作为广播技术维护工作者，应了解和掌握开关电源产生电磁干扰的机理以及相应的抑制措施，切断干扰的传播途径，提高其抗干扰性，以保证开关电源和外围电路更稳定的工作。

　　一．开关电源产生电磁干扰的原因

　　1.开关管产生的电磁干扰

　　主开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源，其干扰强度直接与工作频率相关。随着开关管工作频率的升高，电压电流切换速度加快，其传导干扰和辐射干扰也随之增加。在开关电源工作过程中，由初级滤波大电容C、脉冲变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路。由于开关管的负载高频变压器的初级线圈是一个感性负载，所以，开关管通断时在高频变压器初级的两端会出现很强的尖峰噪声从而造成干扰。

　　2．电源线引入的电磁噪声

　　电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁干扰沿着电源线传播所造成的，抑制电源线的噪声对开关电源的稳定工作至关重要。电源线的噪声分为两大类：共模干扰和差模干扰。共模干扰的定义为任何载流导体与参考地之间产生的不希望有的电位差；差模干扰定义为任何两个载流导体之间产生的不希望有的电位差。共模干扰电流不通过地线而通过输入电源线传输，而差模干扰电流通过地线和输入电源线回路传输。所以，设置电源线滤波器时要考虑到差模干扰与共模干扰的区别，在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制这些干扰，以达到最好的滤波效果。

　　3．整流二极管引起的噪声干扰

　　开关电源的输入级普遍采用桥式整流，电容滤波。在没有功率校正功能的输入级，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，二极管的导通角变小，输入电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量，这些高次谐波分量注入电网会引起严重的谐波污染。另外，在二极管的整流回路中，二极管由阻断状态到导通状态的转换过程中，会产生一个很高的电压尖峰；由导通状态到阻断状态的转换过程中，存在一个反向恢复时间。在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰。由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流尖峰，这种快速的电流、电压突变是二极管产生电磁干扰的根源。

　　4．PCB布板及寄生参数引起的噪声

　　印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，印刷板上器件的安装放置不合理都会造成电磁干扰。特别是在开关电源维修过程中，替代器件的规格、焊点的处理、屏蔽层的螺丝松紧程度等细节问题都会加剧产生电磁干扰。在开关电源中，有些信号包含丰富的高频分量，因而任何一条引线都可能成为天线。引线的长和宽决定了它们的电阻和电感量，进而影响它们的频率响应。开关电源的分布参数也易形成干扰，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感等都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。

　　二．开关电源抑制的方法及措施

　　1．减小开关电源本身干扰
开关电源的主要干扰来自功率开关管通断时的du/dt，因此，减小功率开关管通断的du/dt是抑制开关电源电磁干扰的重要措施。人们通常认为软开关技术可以减小开关管通断的du/dt。软开关技术的基本思想就是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件，利用电感和电容的谐振，降低开关过程中的du/dt和di/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升或关断时电流的下降先于电压的上升，以消除电压和电流的重叠。在理想情况下这样不仅减小了开关损耗，还可以大大减小电磁干扰电平。此外，软开关电路不同于一般的吸收电路，它能够在降低电磁干扰影响的同时减小开关损耗。因此，采用软开关电源技术，结合合理的元器件布置及印制电路板布线，对开关电源的电磁兼容性能可以有很大的改善。

　　2.电磁屏蔽

　　在实际工作中抑制开关的电磁干扰最常用的有效方法就是电磁屏蔽，即用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。另外还要对整个开关电源进行电场屏蔽，屏蔽应考虑通风和散热问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形。为了满足通风要求，孔的数量可以增多，但每个孔的尺寸要尽可能小。屏蔽外壳的引入引出线要采取滤波措施，否则这些会成为干扰的发射天线，严重降低屏蔽外壳的屏蔽效果。若用电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地；若用磁场屏蔽外壳则不需要接地；对嵌入的外置式开关电源外壳一定要进行电场屏蔽。

　　功率开关管和输出二极管通常因为功耗较大而加装散热器或直接安装在电源底板上。由于绝缘片的存在，器件和散热器及底板之间会产生分布电容。开关电源底板一般是交流电源的地线，因而会将电磁干扰通过此分布电容耦合到交流输入端产生共模干扰。解决这个问题的办法是在两个绝缘片之间夹一层屏蔽片并接到直流负端，切断射频干扰向输入电网传播的途径。应该注意的是，无论是绝缘片还是屏蔽片，导热性能一定要好。

　　开关电源的连接线、电源线都应该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等电磁兼容元件，滤除电源及信号线的高频干扰，但是要注意信号频率不能受到电磁兼容元件的干扰，也就是说信号频率要在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性，接缝处要符合电磁兼容规定的屏蔽要求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。

　　3．PCB布局

　　就开关电源器件本身而言，应将所有通过高频电流的印制线设计得尽可能短而宽，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。根据印制线通过电流的大小，尽量加大印制线宽度，减少环路电阻。其次，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响，应遵循“一点接地”原则，利用一个导电平面底板或多层印制板电路的导电平面层作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。对于数字I C电源端来说，要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源线和地线单独引出，电源供给处汇集到一点。器件应多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响。 [Page]

　　三．结束语

　　随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大，电磁兼容问题已成为影响开关电源稳定性的一个关键因素。在广播设备日常维护中，我们应通过观察具体线路来领会设计者的最初设计思路，并与具体应用相结合，在分析开关电源产生电磁干扰的机理之上，综合运用各种手段来改善开关电源电磁兼容性能，尽可能降低开关电源的电磁干扰，以保证广播设备安全优质播出。B&P