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1、彩色电视机开关电源电磁干扰与抑制研究赵富宝1，艾延平1，王海军2（1陕西广电网络传媒股份有限公司安塞县支公司，陕西 安塞 717400；2延安大学西安创新学院，陕西 西安，710100）摘要：开关电源因体积小、效率高、功率因数大等优点，被广泛使用在各种类型的电视机中，但由于本身的工作特性使得电磁干扰问题相当突出，这限制了其使用。从彩色电视机开关电源电磁干扰的模型入手分析了开关电源电磁干扰的干扰源、干扰途径和敏感器件的干扰问题，提出了一些抑制彩色电视机开关电源电磁干扰的方法。关键词：开关电源；电磁兼容；电磁干扰；功率因数校正Study on electromagnetic interferenc
2、e (EMI) and suppression of switching mode power supply(SMPS) in color TV setZHAO Fu-bao1,AI Yan-ping1, WANG Hai-jun2(1 Broadcast Television Network Media Co. Ltd of Shanxi, Ansai branch, Shanxi Ansai 717400, China. 2 Xian Innovation College Yanan University, Xian Shaanxi ,China 710100 )Abstract: Bec
3、ause of its small volume, high efficiency, high power factor etc, SMPS is widely used in various TV set, but it is limited by its operating characteristic leading to quite prominent electromagnetic interference (EMI). Starting with EMI model of SMPS in color TV set, EMI sources and paths as well as
4、sensing device of SMPS are analyzed, and methods are proposed for suppressing EMI of SMPS in color TV set.Keywords: Switching Mode Power Supply(SMPS), Electromagnetic Compatibility(EMC), Electromagnetic Interference (EMI), Power Factor Correction (PFC)如今，在消费者节能环保消费需求和国家相关政策的刺激下，我国家电企业纷纷聚焦“绿色”，掀起了一股前
5、所未有的节能环保绿色浪潮。各种节能环保的绿色家电产品竞相面市，各种绿色产品应有尽有，并逐渐汇成一股时尚的消费潮流。电视机的已经是人们生活必不可少的，彩色电视机的使用数量与使用时间又是其他家电难以相比的，彩色电视机都采用了效率高、体积小、高频化、低噪声以及输出稳定性好的开关电源，但是由于开关电源工作过程中的高频率、高的电流与电压变化率使得电磁干扰问题非常突出。近年来，我国积极借鉴国际标准，制定了一系列EMC（Electromagnetic Compatibility）的标准和规范。如GB12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法”，GJB1001-90“超短波辐射测量方法”等。降低甚至消除开
6、关电源的EMI问题已经成为全球开关电源设计师以及电磁兼容（EMC）设计师非常关注的问题。本文分析了2 / 10彩色电视机开关电源电磁干扰形成的原因以及常用的EMI（Electromagnetic Interference）抑制方法。1 彩色电视机开关电源的干扰源分析彩色电视机开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下，其引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。从整机的电磁性讲，起主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种，但最根本的原因就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源；工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工
7、作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了，这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其是控制电路的信号造成干扰。彩色电视机开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是开关电源内部元件形成的干扰，如开关管和整流二极管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。另一类是外部噪声，例如，通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对
8、开关电源控制电路的干扰等。彩色电视机开关电源噪声干扰类型如图1所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰（如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。下面具体分析开关电源噪声产生的原因和途径。图1 彩色电视机开关电源噪声干扰类型图1.1 电源干扰电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁搔扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完
9、全失电之间进行变化。其中也包括电压变化（如电压的跌落、浪涌与中断）、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等。电源干扰的类型见表1。在表中的几种干扰中，能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成因电源引起的对用电设备的影响。表1 电源干扰的类型表序号干扰类型典型的起因1跌落雷击；重载接通；电网电压低下2失电恶劣的气候；变压器故障；其他原因的故障3频率偏移发电机不稳定；区域性电网故障4电气噪声雷达；无线电讯号5浪涌突然减轻负载；变压器的抽头不恰当6谐波失真整流；开关负载；开关
10、型电源7瞬变雷击；电源线负载设备切换1.2 输入电流畸变造成的噪声彩色电视机开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。其输入电流和电压波形如图2所示，在没有功率因数校正（PFC，Power Factor Correction）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，使得二极管的导通角变小，输入电流I成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流实质上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，引起严重的谐波污染，对电网上其他的电器造成干扰。为了控制开关电源对电网的污染以及实现高功率因数，PFC电路是不可或缺的部分。图2 未加P
11、FC的输入电流和电压波形图1.3 开关管引起的干扰彩色电视机开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容。当开关管流过大的脉冲电流时，一般会形成矩形波，该波形含有许多高频成份。由于开关电源使用的元器件本身的原因，如开关管的存储时间、输出级的大电流、开关整流二极管的反向恢复时间等，这样会造成回路瞬间短路，产生很大的短路电流。所有短路电流的导线及这种脉冲电流流经的变压器和电感产生的电磁场都可形成噪声源，严重时可以击穿开关管。1.4 高频变压器产生的干扰当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感所产生的反电势E=-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率(di/dt)成正比，与漏感成正比，迭加
12、在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。它既影响变压器的初级，还会传导给配电系统，影响其它设备的安全和经济运行。开关电源中的变压器作用是：隔离与变压。但在高频的情况下，其隔离是不完全的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其它引线上耦合形成噪声。1.5整流二极管产生的干扰理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过。而实际的彩色电视机电桥二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电
13、容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。可以通过在二极管两端并联RC缓冲器，以抑制其反向恢复噪声。1.6 分布及寄生参数引起的噪声彩色电视机开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素，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。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。可以通过改进绕制工艺和结构、增加绕组之间的绝缘、采用法拉第屏蔽等方法来减小
14、绕组间的分布电容。而开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。在高频工作下的元件都有高频寄生特性，对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路。当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为了保证开关电源在高频工作时的稳定性，设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择使用高频特性比较好的元件。另外，在高频时，导线寄生电感的感抗显著增加，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线。也就成为了开关电源中的辐射干扰源。 2 彩色电视机开关电源E
15、MI抑制措施电磁干扰的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体如图3。要解决彩色电视机开关电源的电磁兼容性问题，可以从三方面入手：第一，减小干扰源产生的干扰信号；第二，切断干扰信号的传输途径；第三，增强受干扰体的抗干扰能力。彩色电视机开关电源工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问题虽然比较复杂的，但仍符合基本的电磁干扰模型，可以从三要素入手寻求抑制电磁干扰的方法。 图3 电磁干扰三要素2.1 抑制电磁干扰源为了解决彩色电视机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
16、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。另一方面，采用软开关技术是减小开关器件损耗和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及开关损耗的主要原因。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可以有效地抑制电磁干扰。使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。2.2 传输路径的干扰抑制滤波是抑制传输干扰的一种常用方法。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用，是切断搔扰信号传播途径的主要方法。彩色电视机开关电源 EMI滤波器的基本结构如图4所示。图中，L、N 分别表示相线
