开关电源中电磁干扰的产生及其抑制 2
3 抑制干扰的措施
下面就几种干扰讲我们制作开关电源时采用的抑制方法。
3.1电源输入EMI滤波器
在电源进线端通常采用如图3所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：
（1）L，C1，C2用于滤除共模干扰信号。
L是共模电感，通常电感量为2mH～33mH左右。
C1，C2为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。
（2）C3，C4用于滤除差模干扰信号。
C3，C4为电源跨接电容，又称X电容。常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容。电容量取0.22μF～0.47μF。
3.2开关管和输出二极管的缓冲电路
由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰，可以通过增加缓冲电路来减小。如图4所示：
（1） 图4中C1，R1，D1组成snubber电路，吸收残存在变压器漏感中的能量，能够减小开关管关断时的浪涌电压。
（2） 图4中C2，R2，D2组成开关管缓冲电路，减小开关管的dV/dt，即减小由此产生的干扰。
（3） 图4中C3，R3组成输出二极管的缓冲电路，减小di/dt，另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。
3.3高频变压器的设计和制作
变压器是开关电源的最关键器件之一。变压器不仅要设计合理，在制作上也很有讲究。一个好的变压器既要满足带负载能力，还要能起到减小和抑制干扰的作用。
首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。
确定变压器的线径及线数。依据Bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考，综合考虑电流的趋肤效应，决定变压器的线径及线数。
根据电路的拓扑结构和设计要求，计算初次级绕组的电感量和匝数，如果是反激式电源还应计算变压器气隙的大小，气隙的大小决定了变压器的带负载能力，同时也会影响变压器漏感的大小。而漏感是产生干扰的一个重要原因，在满足带负载能力的情况下，漏感以小些为好。
变压器的结构设计和绕组分配。如图5，变压器有两种常见的绕法：顺序绕法和夹层绕法。顺序绕法一般漏感为原边电感量的5%左右，但由于初，次级只有一个接触面，原副边间杂散电容较小。夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3%左右，但由于初，次级有两个接触面，原副边间杂散电容较大。漏感是产生干扰的重要因素，原副边间杂散电容是干扰的传播通道，为抑制干扰，既要减小漏感又要减小原副边间杂散电容。因此，设计时应综合考虑这两个方面进行设计，具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。
变压器的屏蔽层。在EMI干扰较强的情况下，常在变压器的初次级之间加入一层屏蔽层，如图6，通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径，让其都对地形成电容，其屏蔽效果非常好，可以大为减小EMI，同时对于电网串入的瞬态干扰也有一定的抑制作用。但变压器的制作工艺和成本都上升。屏蔽层有铜层和绕线层两种，铜层的效果最佳。
输出整流滤波
为了增加对干扰的滤波效果，可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。如图7所示，L1，C1组成二级滤波电路，滤除差模干扰;L2是输出共模电感，滤除输出电压中所含有的共模干扰。
3.5 PCB LAYOUT应注意的问题
布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。因此应将所有通过高频交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。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。根据印制线路板电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
4 结束语
我们在设计和制作反激式开关电源时，采用了上述措施，变压器采用顺序绕法带铜层屏蔽层，输出侧加共模滤波电感后，+5V输出电压波形上的毛刺和纹波的峰峰值都小于60mV，而在采用这些措施前毛刺和纹波的峰峰值大于500mV。通过比较，我们发现这些措施确实能够对干扰起到很好的抑制作用。抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，比如屏蔽技术、接地等等。在设计开关电源时应综合考虑各种因数，尽可能抑制开关电源的各种噪声，提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛应用。
参考文献：
[1] 周志敏，周纪海，纪爱华.单片开关电源.北京：电子工业出版社，2004.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，2004
[3] Abraham I Pressman. Switching Power Supply Design. R.R.Donnelley & Sons Company，1991
[4] POWER INTEGRATIONS, INC. Application Note. PI , 1994
下面就几种干扰讲我们制作开关电源时采用的抑制方法。
3.1电源输入EMI滤波器
在电源进线端通常采用如图3所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：
（1）L，C1，C2用于滤除共模干扰信号。
L是共模电感，通常电感量为2mH～33mH左右。
C1，C2为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。
（2）C3，C4用于滤除差模干扰信号。
C3，C4为电源跨接电容，又称X电容。常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容。电容量取0.22μF～0.47μF。
3.2开关管和输出二极管的缓冲电路
由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰，可以通过增加缓冲电路来减小。如图4所示：
（1） 图4中C1，R1，D1组成snubber电路，吸收残存在变压器漏感中的能量，能够减小开关管关断时的浪涌电压。
（2） 图4中C2，R2，D2组成开关管缓冲电路，减小开关管的dV/dt，即减小由此产生的干扰。
（3） 图4中C3，R3组成输出二极管的缓冲电路，减小di/dt，另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。
3.3高频变压器的设计和制作
变压器是开关电源的最关键器件之一。变压器不仅要设计合理，在制作上也很有讲究。一个好的变压器既要满足带负载能力，还要能起到减小和抑制干扰的作用。
首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。
确定变压器的线径及线数。依据Bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考，综合考虑电流的趋肤效应，决定变压器的线径及线数。
根据电路的拓扑结构和设计要求，计算初次级绕组的电感量和匝数，如果是反激式电源还应计算变压器气隙的大小，气隙的大小决定了变压器的带负载能力，同时也会影响变压器漏感的大小。而漏感是产生干扰的一个重要原因，在满足带负载能力的情况下，漏感以小些为好。
变压器的结构设计和绕组分配。如图5，变压器有两种常见的绕法：顺序绕法和夹层绕法。顺序绕法一般漏感为原边电感量的5%左右，但由于初，次级只有一个接触面，原副边间杂散电容较小。夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3%左右，但由于初，次级有两个接触面，原副边间杂散电容较大。漏感是产生干扰的重要因素，原副边间杂散电容是干扰的传播通道，为抑制干扰，既要减小漏感又要减小原副边间杂散电容。因此，设计时应综合考虑这两个方面进行设计，具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。
变压器的屏蔽层。在EMI干扰较强的情况下，常在变压器的初次级之间加入一层屏蔽层，如图6，通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径，让其都对地形成电容，其屏蔽效果非常好，可以大为减小EMI，同时对于电网串入的瞬态干扰也有一定的抑制作用。但变压器的制作工艺和成本都上升。屏蔽层有铜层和绕线层两种，铜层的效果最佳。
输出整流滤波
为了增加对干扰的滤波效果，可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。如图7所示，L1，C1组成二级滤波电路，滤除差模干扰;L2是输出共模电感，滤除输出电压中所含有的共模干扰。
3.5 PCB LAYOUT应注意的问题
布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。因此应将所有通过高频交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。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。根据印制线路板电流的大小，应尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
4 结束语
我们在设计和制作反激式开关电源时，采用了上述措施，变压器采用顺序绕法带铜层屏蔽层，输出侧加共模滤波电感后，+5V输出电压波形上的毛刺和纹波的峰峰值都小于60mV，而在采用这些措施前毛刺和纹波的峰峰值大于500mV。通过比较，我们发现这些措施确实能够对干扰起到很好的抑制作用。抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，比如屏蔽技术、接地等等。在设计开关电源时应综合考虑各种因数，尽可能抑制开关电源的各种噪声，提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛应用。
参考文献：
[1] 周志敏，周纪海，纪爱华.单片开关电源.北京：电子工业出版社，2004.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，2004
[3] Abraham I Pressman. Switching Power Supply Design. R.R.Donnelley & Sons Company，1991
[4] POWER INTEGRATIONS, INC. Application Note. PI , 1994
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