關(guān)于驅(qū)動信號特性提取傳導(dǎo)EMI對消技術(shù)研究的分析和介紹

針對目前EMI濾波器在開關(guān)電源傳導(dǎo)路徑上抑制電磁干擾 (EMI) 的方法仍存在著體積大、抑制效果不佳的問題，本文提出驅(qū)動信號特性提取的傳導(dǎo)EMI對消技術(shù)。該方法基于開關(guān)器件驅(qū)動信號與傳導(dǎo)EMI的特性關(guān)系，通過提取驅(qū)動信號以從干擾源處抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI，減少了從干擾路徑上抑制傳導(dǎo)EMI所帶來的體積及成本的問題。建立共模干擾數(shù)學(xué)模型并設(shè)計調(diào)理電路以對消主回路中的干擾信號；搭建仿真模型進(jìn)行仿真分析，搭建實驗測試平臺，利用羅德施瓦茨 (R&S)EMI接收機(jī)實驗測試傳導(dǎo)EMI，仿真及實驗結(jié)果表明本文提出的對消技術(shù)可有效降低開關(guān)電源工作中產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI。

Abstract：At present for EMI filters in conducted path of switching power supply suppression method still have the problem of large volume and suppression effect not well. This paper proposed a novel method that switching device driving signal feature extraction cancellation technology of conducted EMI. This method based on the feature mechanism of switching device driving signal and conducted EMI, suppress conducted EMI of switching power supply from EMI noise source by extract driving signal, and reduced volume and cost problems from interference path suppression EMI. Set up the common-mode(CM) interference mathematical model and design conditioning circuit to cancellation interference signal of main circuit; Establish simulation model to simulate analysis, and set up experimental test platform test the conducted EMI using R&S EMI receiver, the simulation and experimental results shows that this paper proposed cancellation technology can effectively reduce the EMI noise of produced in the working of switching power supply.

Key words: Electromagnetic interference (EMI), cancellation technology, driving signal, feature extraction

1. 引言

隨著開關(guān)電源小型化、高頻化的發(fā)展，其產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI噪聲問題日益突出，會導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)行中性能的降級；同時，隨著開關(guān)電源設(shè)計的要求及工藝需求的不斷提升及EMC國際標(biāo)準(zhǔn)的提高，使得抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI顯得尤為必要。也出現(xiàn)了各種新型的EMI抑制技術(shù)不斷發(fā)展以適應(yīng)目前的發(fā)展形勢[1-3]。

現(xiàn)階段普遍的抑制EMI方式均是在干擾傳播路徑上對其進(jìn)行抑制，主要以無源濾波及有源濾波技術(shù)為主[4-7]；但這種從干擾路徑上抑制EMI的方式是一種被動的抑制方式，且抑制效果不佳?？紤]從干擾源處主動對開關(guān)電源EMI進(jìn)行抑制是抑制技術(shù)的最佳選擇[8-9]，且能更有效的從根本上解決EMI問題。

目前使用的有通過向干擾裝置的電源側(cè)注入與原有噪聲電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流信號，以對消噪聲源處的干擾電流信號[10]，但存在檢測信號不準(zhǔn)確或其信號不能真實反映EMI的問題；還有通過改變現(xiàn)有的功率變換器拓?fù)?，利用阻抗平衡的方法消除差模干擾的方法[11-12]；利用電路中的開關(guān)功率器件固有的寄生電容在功率電路中構(gòu)造動態(tài)電位平衡節(jié)點對的方法，在該節(jié)點對處流過反相的共模電流而抵消干擾電流[13]。然而，這些方法均是基于對消的理念設(shè)計外部電路，控制干擾電流信號的流通方式，并未考慮產(chǎn)生干擾的源頭及開關(guān)器件自身與干擾信號的關(guān)系；本文將考慮從產(chǎn)生干擾的開關(guān)器件本身出發(fā)，研究驅(qū)動信號與其控制的開關(guān)器件產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI特性，以從干擾源處解決傳導(dǎo)EMI的問題。

針對以上存在的問題，本文提出驅(qū)動信號特性提取的EMI對消技術(shù)；從感應(yīng)加熱電源工作中的干擾源處出發(fā)，探究驅(qū)動信號與傳導(dǎo)EMI的特性機(jī)理并設(shè)計對消技術(shù)的調(diào)理電路來抑制共模干擾，實現(xiàn)對消技術(shù)抑制傳導(dǎo)EMI的目的。建立共模干擾模型及數(shù)學(xué)模型，通過搭建仿真模型及實驗測試平臺驗證了本文提出的驅(qū)動信號特性提取的傳導(dǎo)EMI對消技術(shù)可有效的抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI。

2. 干擾源的建立及建模

本文用淬火用感應(yīng)加熱電源作為EMI干擾源，開關(guān)電源為20 kHz、1 kW的單相感應(yīng)加熱電源，其主電路拓?fù)淙鐖D1所示。傳導(dǎo)EMI信號的產(chǎn)生是由于開關(guān)電源開關(guān)器件的高頻化而造成，電源開關(guān)器件的開關(guān)時刻橋臂中點對參考地產(chǎn)生不斷變化的電位對寄生電容Cpi進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生EMI而影響電網(wǎng)側(cè)，其電源工作時的共模干擾流通路徑如圖1中曲線所示。

圖1 作為EMI干擾源的電源主電路

本文將重點研究共模干擾，干擾回路中加入LISN（線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）檢測電路，為干擾信號提供流通路徑并測試干擾信號大小。圖2所示為電源主回路共模干擾的等效回路及其簡化模型。

圖2中C2為回路LISN上的電容0.1μF，Lc為直流母線上的電感值1.2μH，R2為50Ω，Rd、RT分別為二極管及開關(guān)管的動態(tài)電阻，Rc為等效干擾回路的等效電阻，Cp1是寄生電容220pF，E為等效干擾電壓源120 V，Req、Leq、Ceq分別為等效的電阻、電感、電容值。

圖2 共模干擾等效電路

圖3 共模干擾源等效電壓波形

且Req=R2+Rd+Rc+RT，Ceq=C2//Cp1，Leq=Lc，通常將干擾源等效為如圖3所示的梯形波。

根據(jù)干擾電流信號表達(dá)式列寫不同時段電流信號時域表達(dá)式并使用MATLAB軟件繪制共模干擾電流時域波形如圖4所示。

圖4 共模電流時域波形

通過圖4可看出在等效電壓源整個階段對開關(guān)電源的數(shù)學(xué)建模，共模干擾電流時域波形完全反映了數(shù)學(xué)建模表達(dá)式呈現(xiàn)的指數(shù)衰減振蕩趨勢。

3. 有源對消技術(shù)

3.1 驅(qū)動信號與EMI關(guān)系探究

干擾信號的產(chǎn)生是由開關(guān)器件高頻化工作時電位跳變，在A、B兩點產(chǎn)生瞬時的高脈沖電壓、電流信號對寄生電容進(jìn)行充放電而形成的；PWM驅(qū)動信號控制開關(guān)管的工作，電路中產(chǎn)生的干擾信號與提供驅(qū)動的PWM信號有著必然的關(guān)系，所以探究干擾源處驅(qū)動信號與EMI的關(guān)系為對消技術(shù)從干擾源處抑制傳導(dǎo)EMI提供理論依據(jù)。圖5所示為本文設(shè)計的基于驅(qū)動信號特性提取的傳導(dǎo)EMI對消電路模型。

圖5 EMI對消技術(shù)電路模型

圖6所示為驅(qū)動信號與干擾信號仿真波形，式(4)、(5)為驅(qū)動信號與EMI信號幅值比及相位差關(guān)系式，m為系數(shù)值。

圖6 驅(qū)動信號與EMI仿真波形

從圖6中可看出干擾信號的產(chǎn)生是在驅(qū)動信號上升或下降沿的時刻，二者明顯有幅值上的比例關(guān)系，且存在有θ角的相位差。從抑制EMI方面考慮，需要降低干擾信號幅值并補(bǔ)償兩信號間的相位差，可通過提取開關(guān)器件的驅(qū)動源信號并設(shè)計無源電路對提取的驅(qū)動信號進(jìn)行相位補(bǔ)償及幅值調(diào)理，使得調(diào)理后的信號與電源線上的EMI信號幅值相等、相位相反，即可對消電源線上的傳導(dǎo)EMI信號。

3.2 調(diào)理電路設(shè)計

根據(jù)驅(qū)動信號與EMI信號的幅值、相位關(guān)系設(shè)計調(diào)理電路如圖7（a）所示，圖7（b）所示為上、下半橋調(diào)理電路單獨工做時的等效電路模型。

圖7 調(diào)理電路等效模型

4. 有源對消仿真分析

搭建如圖5中無調(diào)理電路部分的主電路仿真模型，仿真中由LISN測試傳導(dǎo)的EMI大小，分別測試無對消技術(shù)和有對消技術(shù)的電源傳導(dǎo)EMI大小如圖8所示。

從圖8中看到無對消技術(shù)的電源回路中產(chǎn)生了較大的EMI信號，低頻達(dá)到0.8 V (118 dBμV) 左右；而有對消技術(shù)的仿真波形中明顯傳導(dǎo)EMI降低了，低頻部分降低至0.06 V (95.56 dBμV) 左右，而高頻部分整體上EMI較小，仿真說明了本文提出的驅(qū)動信號特性提取的對消技術(shù)可有效的降低開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI。

圖8 電源主回路共模干擾仿真

5. 實驗驗證

根據(jù)本文提出的設(shè)計方案要求，在理論及仿真分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)國標(biāo)GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》規(guī)定，搭建如圖9（a）所示的開關(guān)功率變換器傳導(dǎo)EMI系統(tǒng)測試平臺，基于羅德施瓦茨 (R&S) LISN (線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))及EMI接收機(jī)搭建如圖9所示的實驗測試平臺。

圖9 傳導(dǎo)EMI測試平臺

從上圖可以看出，測試平臺主要包括垂直金屬接地平板、水平金屬接地平板和桌面參考接地平板三塊接地板和高度為80厘米的非導(dǎo)電桌組成，被測設(shè)備EUT、LISN和EMI接收機(jī)放在非導(dǎo)電桌上，通過輸入電纜相互連接，對應(yīng)實物測試平臺如圖9 (b)所示。實際測試金屬接地板采用2毫米厚的鋁金屬板，水平和垂直接地平板寬度為1.6米，長度為2米，桌子高度為0.8米，桌面上金屬接地板和水平接地平板保持平行，其厚度也為2毫米，寬度為0.7米，長度為1.6米。LISN和EMI接收機(jī)通過射頻電纜 (RF) 相連，其中EMI接收機(jī)型號為：R&S ESL-3。LISN輸入端口和穩(wěn)壓源輸出電壓相連，其輸出端口和開關(guān)功率變換器相連，保證測試結(jié)果的重復(fù)性和可比性，并在測量點提供一個標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載阻抗。相對于穩(wěn)壓源內(nèi)阻抗，LISN的串聯(lián)阻抗較大，因此從EMI干擾源朝輸入電源側(cè)看的總等效阻抗受穩(wěn)壓源及電網(wǎng)阻抗變化的影響大大減??；另一方面，LISN為EMI干擾源提供一個高頻濾波電路，濾除可能由電網(wǎng)進(jìn)入電路的高頻噪聲，保證測量結(jié)果的可靠性，本文采用的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)型號為：ENV216。

通過上電測試，圖10為主電路輸出電壓、電流波形，負(fù)載輸出電壓、電流波形滿足諧振狀態(tài)。通過搭建的電源實驗測試平臺測試實際電源傳導(dǎo)EMI大小，圖11所示分別為無對消技術(shù)和有對消技術(shù)的電源傳導(dǎo)EMI測試波形。

圖10 主電路輸出波形

從圖11（a）中可看出未采用對消技術(shù)的電源回路傳導(dǎo)EMI達(dá)到90 dBμV左右；而圖11 (b)所示為采用對消技術(shù)的傳導(dǎo)EMI測試，其大小降低至70 dBμV左右的范圍，明顯采用對消技術(shù)后，傳導(dǎo)EMI大小得到降低，即本文提出的對消技術(shù)可有效抑制電源傳導(dǎo)EMI，且符合設(shè)計要求。

圖11 傳導(dǎo)EMI實驗測試

本文基于傳導(dǎo)EMI與驅(qū)動信號間的特性機(jī)理，提出了驅(qū)動信號特性提取的傳導(dǎo)EMI對消技術(shù)。確定干擾源并建立共模干擾等效電路模型，設(shè)計調(diào)理電路對驅(qū)動信號進(jìn)行反向比例、相位補(bǔ)償處理；最后搭建仿真模型及實驗測試平臺，仿真及實驗測試共同驗證了在不增加體積的前提下本文提出的對消技術(shù)可有效地從干擾源處抑制電源傳導(dǎo)EMI。該有源對消技術(shù)從干擾源處更好的抑制了傳導(dǎo)EMI，但在差模抑制方面還需要進(jìn)一步研究，該技術(shù)也將成為抑制EMI方面的一種新的發(fā)展趨勢。