2.2 设计输入EMI滤波是第二重要的因素
输入传导EMI滤波器的目的是将高频传导噪声抑制在机壳内部。EMI滤波技术是一种可以滤除多种原因产生的传导干扰，既可以防止干扰使用同一电源工作的其他电子设备又能防止外部用电设备对电源本身的干扰。实际证明，选择适当的元器件参数，可较好地抑制开关电源产生的传导干扰。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰定义为任何载流导体与参考地之间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的不希望有的电位差。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。这些滤波器包含的电容和电感分别称为“X”和“Y”元件。CX叫做差模电容，CY叫做共模电容，L1叫做共模电感（见图3）。共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。实际使用中共模电感的两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。
图3 典型的EMI滤波器结构
共模滤波器实际上是一个双向LC滤波器，它的主要作用是滤除开关管所产生的噪音，防止它进入到输入电源线。共模滤波器设计时有两个值得注意的问题：一是在高频时，由于变压器的寄生电容对绕组有旁路作用，造成绕组电感、分布电容及CY电容形成谐振回路，其谐振频率为绕组自激振荡频率。适当的选用较大的CY电容能够降低分布电容的影响。自激振荡频率是滤波器具有最大衰减率的频率。所以可以将变压器的自激振荡频率设置在需要最大滤波的频率上。二是滤波器在振荡频率时的Q值。如果Q值太高，即阻尼系数太低，滤波器会以窄带的形式振荡产生噪音。通常阻尼系数取不小于0.707比较合适，这样在转折频率处至少有-3dB的衰减量，就不会因振荡产生噪声。CY电容要用高频特性好的高压薄膜电容或陶瓷电容，容值取0.005到0.1uF之间。
2.3 波形技术的使用是第三重要因数
传统开关电源存在的致命缺点是功率因数低，一般在0.45到0.75之间，而且其无功分量基本是高次谐波。脉冲状输入电流中含大量谐波。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。常用的PFC控制芯片为UC3854，MC34262P，TDA4814等。
软开关技术是改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰的主要原因。软开关技术的采用使变换器强制电压或电流波形行成准正弦波，由于使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换使电压或电流的变化率受到控制，可以有效地改善EMI/RFI干扰。常见的软开关拓扑电路有ZVS、ZCS、ZVZCS等。使用缓冲电路吸收开关管或整流二极管两端的尖峰电压也能有效地减少EMI辐射(见图4)。
图4 加在开关管和整流二极管两端的缓冲吸收电路
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感Ls来抑制（见图5）。饱和电感的磁芯是用具有矩形B-H曲线的磁性材料制成，如Maghisil和Orthanol合金等。用这种磁芯做的电感有很高的磁导率，并很容易进入饱和。实际使用中，当电流发生变化时，在一个由匝数、磁导率、和阶跃电流决定的时间内，它相当于一个电感，当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线。
图5饱和电感能抑制二极管反向恢复电流引起的问题
2.4 外壳设计是第四重要因数
当交变电磁场通过金属材料屏蔽体时，金属材料会产生感应电势而形成涡流，这涡流产生的磁场可以抵消一部分原来的磁场，从而起到屏蔽的作用[3]。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响，开关电源的外壳应当担当起内部电路辐射噪声电磁屏蔽作用，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩。因此整个开关电源的外壳要有良好的屏蔽特性，通常采用金属材料。接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求，RF垫圈有时能用于特别棘手的情况。
3．结语
在开关电源功率密度越来越大的趋势下，如何控制高频噪声的产生和辐射是开关电源系统设计中最为复杂的技术。EMI/RFI问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素。开关电源的EMI抑制技术在开关电源设计中占有很重要的位置。如果严格按照有效的设计规范，将会使产品比较容易通过EMI/RFI测试标准。
参考文献：
[1] Marty Brown，开关电源设计指南.北京: 机械工业出版社，2004，1
[2] 叶治政，叶靖国.开关稳压电源.北京:高等教育出版社，1989，10
[3] 蔡仁钢，电磁兼容原理、设计和预测技术 北京航空航天大学出版社，1997，12
作者简介： 周岩 河海大学电气工程学院硕士， 尹斌 河海大学电气工程学院副教授
