关于开关电源的电磁兼容特性

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。