1 引言
随着现代电子技术的迅猛发展，开关电源也得到了高速发展，体积小、重量轻、效率高、稳定性好是现在开关电源发展的方向。但随着功率、频率的增大和体积的减小，电磁干扰越来越成为制约开关电源发展的主要因素。因此，一个开关电源的抗干扰性能，成为判断开关电源性能的一个主要条件。
2 开关电源的主要干扰源
所谓“干扰”是指设备受到干扰后，性能降低以及对设备产生干扰的干扰源。电磁兼容(EMC) 是指在有限的空间、时间和频率范围内，各种元器件共存而不引起设备性能下降的要求。它包括电磁干扰(EMI) 和电磁敏感(EMS)。EMI 是指电器产品向外发出干扰，EMS 是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。因此，对于开关电源而言，首先要求能够抵御周围电磁干扰的影响，其次要求不对周围环境造成干扰。开关电源产生的干扰，分为传导干扰和辐射干扰。下图为开关电源结构框图。
2.1 电源输入模块
电源输入模块有AC/DC 和DC/DC 两种形式， 如果是AC/DC 则需要一次整流，使交流电路转换为直流电路，将导
致更多的干扰因素。
2.1.1 DC/DC 输入模块
在输入电压不稳定、纹波大、 辐射强的状态下，把干扰信号带给电源输入模块，形成的干扰源，进而影响其他元器件，由变换模块高频变压器在开断瞬间产生的反向电流，产生辐射干扰、浪涌回流等形式的干扰源。
2.1.2 AC/DC 输入模块
输入电压不稳定、波动大、辐射强的状态或者当电网遇到雷击等，产生高压导入电源，同时整流二极管在导通截止期间产生反向恢复电流，形成的干扰信号强度大、频带宽、辐射面大，使整流电路形成干扰源，同时，在变换模块中形成的干扰源。
2.2 输出整流电路
输出整流电路可分为正激、反激、推挽等形式。电源在工作时，整流二极管在高频条件下通断，由高频变压器和整流二极管及其电容形成了高频开关电流环路，向空间辐射形成干扰源。在同等条件下，由于反激所需的二极管少，反激式产生的干扰相对较小。
2.3 变换电路
变换电路是变压器设计的核心，开关功率管和高频变压器是产生干扰的主要器件。开关电源工作时，开关管处在高频通断状态，经由高频变压器初级线圈、开关管和输入滤波电容形成一个高频电流环路。这个环路的存在，就可能对空间形成电磁辐射。如果电路中的电容容量不足，高频性不好，或高频阻抗较高，则以差模方式传导出去，形成传导干扰[1]。此外，开关回路中，开关管驱动的负载是高频变压器的初级线圈，是电感性的。由于漏感的存在，在开关管集电极的极间电容和电阻间形成尖峰电压。这个尖峰电压在开关管导通瞬间传导到电路的输出端，形成传导干扰。同时开关电源的高频震荡形成电磁干扰。
2.4 控制电路
控制回路的脉冲控制信号控制与开关管的高速通断时，尖峰电压由栅极导入，形成干扰。控制芯片本身由于与稳压电路、光耦隔离、斜率补偿电路等阻抗不匹配，形成自激振荡干扰。
2.5 PCB 布线
由于PCB 板的布局、布线而引起的干扰。PCB 板的布局和布线对于开关电源的稳定性、可靠性极其重要。由于变压器、开关管的位置放置不适当而使开关电源的干扰大增，或者由于反馈信号线的走线太靠近干扰源而使系统不稳定。主回路的环路面积太大，旁路或者耦合电容没有放对位置，电路板的走线没有按照原理图的流向走，地线没有规划好，分布电容引起噪声干扰等。
3 提高开关电源抗干扰的措施
3.1 滤波电路
滤波是开关电源抑制干扰的常用方法，比如低频滤波、高频滤波、电源滤波、纹波滤波等，滤波电路在系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制电能传输上的传导干扰，同时对传输线上的辐射抑制也有显著的效果。在滤波电路中，一般选用穿心电容，三端电容和铁氧体磁环等。图2 为一个转换电路的滤波电路，C1 和C9 为输入的低频和高频滤波，C3 和C12 为输出的高频和低频滤波，这4 个电容同时兼有电源滤波和纹波滤波。
3.2 EMI 电路
开关电源的差模干扰是由开关电源和交流输入之间的环流所造成的，这意味着差模电流将经过电源进线流入开关电源，经过中线流出。大部分的差模干扰是由功率晶体管集电极电流波形的基波和谐波造成的。共模干扰是由共模电流造成的，它并不在交流电源中流通，也不在电源输入之间形成环流。共模干扰主要是由开关晶体管集电极电压变动所引起的：初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容性耦合，会在电源输入端产生传导的共模噪声源。图3 为共模电路工作原理。
共模电感在一个磁芯上绕了两个相同的绕组，当有实线i2 流过时，从图中可见所产生的磁场是相互抵消的，因而磁芯材料不受任何影响，不会发生饱和现象。当虚线i1流过时，磁芯中产生相同的磁通而使磁通加强。因此，对共模有很强的抑制作用。所以，共模电感器通常都采用频率特性好、导磁率高的铁氧体材作为其制作材料。差模电感因为与负载是串联的，输入电流或者输出电流通过电感磁芯，其交直流电流都很大，因此不能用高磁导率的材料，而是用磁粉芯作为其制作材料。
图4 为一个对共模和差模干扰都有抑制能力的EMI 滤波电路。图中没有专门设置差模电感，而是利用共模电感绕制中的不完全对称所形成的一个寄生差模电感来担当的。差模电容为CX1 和CX2，共模电容为CY1 和CY2。
同时，为了抑制直流输出线上的电容，需要在初、次回路地线之间跨接电容，根据设计所需跨接合适的电容，一般小于1μF。假如为了进一步提高共模抑制能力，可以在CX1 前再加一级共模滤波电容。有的电路还需要在与安全地连接之间加一个小电感，进一步提高抗干扰能力。
3.3 软开关技术
软开关技术是在开关管上增加电容和电感，降低开关过程中的di/dt 和dv/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。研究表明，软开关技术只是在抑制纹波的高次谐波上有一定的效果。同时，由于软开关电路中引入了辅助谐振单元，其谐振会引入高的di/dt 和dv/dt，增加电路的EMI。因此，比较软开关和硬开关技术的开关电源，其EMI也应综合衡量考虑。
3.4 频率调制控制
频率调制[2] 是瞬时频率偏移随调制信号m(t) 成比例变化的调制，其瞬时频率偏移可表示为
固定频率调制脉冲产生的干扰在低频段，集中在动态元器件上，一般都是通过调制开关频率f，把集中在f 及其2f、3f…. 上的能量分散在周围的频带上。以满足抑制EMI 的标准。为了达到较低噪声频谱峰值的目的，通常用随机频率法和调制频率法。
随机频率法是在电路的开关间隔中加入一个随机扰动分量，使开关噪声能量分散在一定范围的频带中，开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。
调制频率法是在锯齿波中加入调制波形（即白噪声），在产生干扰的离散频段周围形成边频带，将噪声的离散频带调制展开成一个分布频带。这样噪声能量就分散到这些分布频段上。这种控制方法可以在不影响变换器工作特性的情况下，很好地抑制开通、关断时的干扰。图5 为频率调制技术降低EMI 电平的波形。
3.5 缓冲电路
缓冲电路是为了抑制开关电源中大量的谐波，抑制电磁干扰的主要措施。电源中仅仅是需要添加一个电容或者一个阻容网络就可以解决，但是如果没有对缓冲电路有一个更深的认识和理解，到最后要大动干戈需要对电源模块大范围的修改或者使这个产品报废。需要添加缓冲电路的地方有很多，但主要有下面几个部
分。
（1）开关电路
开关管为开关电源的核心电路，也是产生EMI 的主要电路。因此，在开关管主电路的基础上，增加一个缓冲电路来抑制EMI，在这部分要特别注意共模电流和串扰的影响。图6为开关管缓冲电路，有的需要增加阻容网络来抑制EMI，或者需要在PWM 端接电阻之后接地。
（2）整流二极管缓冲电路
整流二极管缓冲电路，主要是为了二极管导通关断时产生的电磁干扰信号，由于电路简单，容易控制，在工业中应用极其广泛，图7 为缓冲电路控制，有的电路只需要电容就可以。
（3）变压器
变压器缓冲电路主要是针对变压器中产生的反向电动势，所加缓冲电路主要使变压器复位，所以又叫复位电路。产生的复位电流通过二极管导通，同时对电容充电，由于电阻和电容并联，电容中的电量被电阻消耗。根据需要消耗的能力匹配电阻和电容，有的电路中有辅助变压器的也需要添加缓冲电路。
（4）稳压反馈
输出端取样的电压与基准直流电压比较后形成误差电压，该电压经过放大控制高频信号产生中高频信号的占空比，从而达到稳定输出电压的目的，由于电流在高速通断的过程中产生的尖峰脉冲，需要在稳压反馈电路[3] 中加缓冲电路。
3.6 接地
接地分为两种：信号接地和设备接地。信号接地，是以设备中的某一点或一块金属薄板作为信
号接地的接地参考点，它为设备中的所有信号提供一个公共参考电位。实用中接地方式有：浮地、单点接地、多点接地。设备接地主要是为了设备的安全接地，泄放机箱上所积聚的电荷，同时避免设备在外界电磁环境的作用下对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。
3.7 屏蔽
屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。屏蔽分为静电屏蔽和交变电磁场屏蔽。
3.8 PCB 抗干扰
PCB 抗干扰设计，主要包括PCB 布局、布线及接地，其目的是减少PCB 的电磁辐射和PCB 上电路之间的串扰。良好的PCB 布局和走线可以大幅度提高PCB 的抗干扰能力。下面是PCB 布局的几个原则[4]。
（1）布局：安排“T”字形展开，交流进线与二次侧出线放在电路的对面，各功能回路的元器件按照信号流向布局，使信号传递方向一致。
（2）高频变压器一次侧和二次侧的整流二极管等，紧靠高频变压器放置。
（3）反馈控制端靠近地线，同时走线尽量短，远离噪声或者磁场源。
（4）开关脉冲输出信号远离高压电源，同时在控制芯片旁需接一个小电容。
（5）尽量减少主回路面积。
（6）正确选择单点接地和多点接地，加粗地线，同时使地线做出闭环路。
4 小结
提高电源的抗干扰性能是一个长期奋斗的过程，随着元器件性能的日益提高和人们对干扰的进一步认识，电源的抗干扰性能和以前相比有了很大幅度的提高，但由于现代设备向精密化和微型化的发展，对电源的抗干扰性有了更高的要求。本文对电源的干扰源进行了分析，提出了几种提高抗干扰性的措施，用于解决电源因为干扰而引起的性能下降、系统不稳定等问题，有助于提高电源的抗干扰性。 |
