关于开关电源的电磁兼容特性

摘要：本文首先介绍了开关电源的基本组成、工作原理、工作模式和主要特点，然后详细阐述了现代开关的两种主要类型极其特性，而文章的后半段，则着重描述了一种DC/DC型开关电源在进行电磁兼容试验的CS106项目中所出现的问题，并对产生该问题的原因进行了分析，最后给出了解决该问题的方法是在开关电源的输入端用瞬态电压抑制器（即TVS管）替换气体放电管，经过多次的电磁兼容试验验证后，证明该方法是可行的。

关键词：开关电源 电磁兼容 气体放电管 瞬态电压抑制器

Electromagnetic Compatibility of Switching Power Supply

ZHU Liang1

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion， CSIC， Wuhan 430064， China ）

Abstract： This paper first introduced the switch power supply of the basic composition， working principle， working mode and main features， and then illustrates the two main types of modern switch characteristics， and during the second half of the article， it emphatically describes a DC/DC switching power supply for electromagnetic compatibility test CS106 projects， for the problems and the causes of the problems are analyzed， and finally gives the solution to the problem is in the switch power supply input terminal with a transient voltage suppressor （TVS diode） replace the gas discharge tube， after many times of electromagnetic compatibility test， proved that the method is feasible.

Key words： switching power supply； electromagnetic compatibility（EMC）； gas discharge tube； transient voltage suppressor

1 引言

电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入21世纪后，开关电源相继进入各种电子、电器 设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）和MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。开关电源比普通的线性电源效率高，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小，轻便化，更便于携带。但是随着体积越来越小带来的问题是，众多的电子系统集中装备在的狭窄空间内，电子设备的使用密度日趋增大。频谱的拥挤，发射电平的增大、接收灵敏度的提高、数据和弱信号传输量的扩大、各种金属构件的天线和非天线效应、大量成束电缆的敷设等等，都给电磁干扰的产生和传播提供了条件和途径。

2 开关电源简介

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

2.1 基本组成

开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

2.1.1主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2.1.2 控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

2.1.3检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

2.1.4辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

2.2 工作原理

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

2.3 工作模式及主要特点

开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。[1]

开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。

跟传统的线性电源相比，由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%；并且功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。

2.4 主要类型

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。

2.4.1 按直流DC/DC转换器之间的电气隔离分

一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。

隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。

单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。

非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

2.4.2 按能量的传输来分

DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

2.4.3 按照开关管的开关条件

DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。

3 关于开关电源的电磁兼容

3.1 开关电源的电磁兼容性问题

我们使用的DC/DC型电源设备在进行电磁兼容性试验的CS106项目时，可以使在该电源前端的0.75A的保险丝熔断，导致试验失败。

电磁兼容性试验的CS106项目的内容为：将尖峰发生器与受试设备并联，调整尖峰发生器的输出幅度，使5欧姆无感电阻上的信号幅度符合标准中的规定值，这个值即为校准值[2]，如图所示：

在试验中，干扰以差模方式注入：具有较大的瞬间功率和一定的能量。

我们所使用的是一款DC/DC的开关电源，其主要功能是将外部蓄电池的250V左右的直流电转换为直流±15V的直流电，给后续的电力电子设备提供电源，其主要电路图如下：

3.2 针对电磁兼容性问题的分析及解决方法

由于CS106试验主要测试在设备分系统所有不接地的交流和直流输入电源线上测试设备、分系统对电源线上注入的尖峰信号的敏感度。而在此电源中，我们使用的是型号为2RM600-8的气体放电管，其动作电压为DC600V±20%，电源在正常工作时，输入端电压是DC250V，因此气体放电管不动作。当电源输入端的电压有超过该只气体放电管动作电压的时候，气体放电管可靠的动作，并产生放电吸收的现象，该过程能将来自于输入端的尖峰过电压以气体放电的形式被吸收，从而保护电路其他元器件不受过压损坏。但是，在放电过程中，会使电源的输入端瞬间的峰值吸入电流。当在进行CS106试验时，其输入端接有保险丝，当超过DC600V的尖峰电压出现时，开关电源内的气体放电管工作，使电源的输入端产生瞬间的峰值吸入电流，该峰值电流要远大于0.75A保险丝的熔断电流，因此该保险丝会瞬间熔断。此时开关电源内部的气体放电管又恢复常态，当下一次再出现DC600V以上的尖峰浪涌电压时，气体放电管又会重复上述工作过程[3]。

为了不影响开关电源外部电力电子设备的正常使用，我们将开关电源内的气体放电管更换为TVS管，更换后的电路如下：

如图所示，将气体放电管从开关电源前端去除后，在限流电阻后并联了一个TVS管。TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件，我们选用的型号为1.5KE400A，当该TVS管的两极高于直流电压400V±20V时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达1.5千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于548V，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

我们将更换了TVS管的开关电源重新进行了CS106试验项目，结果保险丝完好，顺利通过该项试验。

4 结束语

综上所述，对于电磁干扰的抑制方法很多，可以选择一种或多种综合运用。本文提到的只是此种DC/DC类型的直流开关电源在进行电磁兼容性试验中所涉及的问题，并针对出现这种问题提出了解决方案且进行了验证，结果证明该方法是可行的，希望对其他遇到类似的问题给予帮助。

参考文献：

[1] 开关电源的工作模式. 电气自动化技术网，2013.

[2] 白同云等.电磁兼容设计[M].北京： 北京邮电大学出版社，2001.

[3] 气体放电管在浪涌抑制电路中的应用.电子元件网 ，2012.

作者简介：朱亮（1980-），男，工程师，研究方向为电力电子。