設(shè)計(jì)開關(guān)電源EMI的五個(gè)方向簡析

開關(guān)電源EMI的五大抑制策略

開關(guān)電源是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件并綜合電力變換技術(shù)、電子電磁技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的電力電子產(chǎn)品。

因其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、安全可靠以及穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電子儀器、工業(yè)自動(dòng)控制、國防及家用電器等領(lǐng)域。但是開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差、易產(chǎn)生電磁 干擾，且EMI信號占有很寬的頻率范圍，并具有一定的幅度。這些EMI信號經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射方式污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子儀器造成干擾，因而在一定程 度上限制了開關(guān)電源的使用。

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原因

電磁干擾 (EMI，Electromagneticlnterference)是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動(dòng)造成的性能損害。它由三個(gè)基本要素組成: 干擾源，即產(chǎn)生電磁干擾能量的設(shè)備;藕合途徑，即傳輸電磁干擾的通路或媒介;敏感設(shè)備，即受電磁干擾而被損害的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。基于此，控制電 磁干擾的基本措施就是:抑制干擾源、切斷禍合途徑及降低敏感設(shè)備對干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。

根據(jù)開關(guān)電源工作原理 知:開關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，再逆變?yōu)楦哳l交流電，最后經(jīng)過整流濾波輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。在電路中，功率三極管、二極管主要工作在開 關(guān)管狀態(tài)，且工作在微秒量級;三極管、二極管在開一閉翻轉(zhuǎn)過程中，在上升、下降時(shí)間內(nèi)電流變化大、易產(chǎn)生射頻能量，形成干擾源。同時(shí)，由于變壓器的漏感和 輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，也會(huì)形成潛在的電磁干擾。

開關(guān)電源通常工作在高頻狀態(tài)，頻率在02 kHz以上，因而其分布電容不可忽略。一方面散熱片與開關(guān)管的集電極間的絕緣片，由于其接觸面積較大，絕緣片較薄，因此，兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽 略，高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模千擾;另一方面脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容，可將初級繞組電壓直接禍合到次級 繞組上，在次級繞組作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

因此 ， 開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大，如開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等元件，以及交流輸人、整流輸出電路部分。

抑制開關(guān)電源電磁干擾的措施

通常開關(guān)電源EMI控制主要采用濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封技術(shù)、接地技術(shù)等。EMI干擾按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。開關(guān)電源主要是傳導(dǎo)干擾，且頻 率范圍最寬，約為10kHz一30MHz。抑制傳導(dǎo)干擾的對策基本上10kHz一150kHz、150kHz一10MHz、10MHz以上三個(gè)頻段來解 決。10kHz一150kHz范圍內(nèi)主要是常態(tài)干擾，一般采用通用LC濾波器來解決。150kHz一10 MHz范圍內(nèi)主要是共模干擾，通常采用共模抑制濾波器來解決。10MHz以上頻段的對策是改進(jìn)濾波器的外形以及采取電磁屏蔽措施。

采用交流輸入EMI濾波器

通常干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式:共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾:干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線 對大地間，主要是由du/dt產(chǎn)生的，di/dt也產(chǎn)生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾:干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以共模方式出現(xiàn)，也可以差模方式出現(xiàn);但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對有用信號構(gòu)成干擾。

交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小;共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯 上的線圈組成。

如果兩個(gè)線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會(huì)很小，在電源線頻率范圍內(nèi)差模電抗將會(huì)變得很小;當(dāng)負(fù)載電流流過共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在相線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在中線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。這里共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。

圖1 電源線濾波器基本電路圖

利用吸收回路改善開關(guān)波形

開關(guān)管或 二極管在開通和關(guān)斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，容易在開關(guān)管集電極、發(fā)射極兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。通常情況下采用RC/RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。

圖2 RCD浪涌電壓吸收回路

當(dāng)吸收回路上的電壓超過一定幅度時(shí)，各器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關(guān)管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷(Co)，當(dāng)通過正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。

利用開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

頻率控制技術(shù)是基于開關(guān)干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達(dá)到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法:隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。

隨機(jī)頻率法是在電路開關(guān)間隔中加人一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關(guān)干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續(xù)分布干擾，其峰值大大下降。

調(diào)制頻率法是在鋸齒波中加人調(diào)制波(白噪聲)，在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開成一個(gè)分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關(guān)斷時(shí)的干擾。

采用軟開關(guān)技術(shù)

開關(guān)電源的干擾之一是來自功率開關(guān)管通/斷時(shí)的du/dt，因此，減小功率開關(guān)管通/斷的du/dt是抑制開關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。而軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通/斷的du/dt。

如果在開關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)很小的電感、電容等諧振元件就構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)。在開關(guān)過程前后引人諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和干擾，這種電路稱為軟開關(guān)電路。

根據(jù)上述原理可以采用兩種方法，即在開關(guān)關(guān)斷前使其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷;或在開關(guān)開通前使其電壓為 零，則開關(guān)開通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)，基本電路如圖3和 圖4所示。

圖3 零電壓開關(guān)諧振電路

圖4 零電流開關(guān)諧振電路

通常采用軟開關(guān)電路控制技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術(shù)，對開關(guān)電源的EMI干擾具有一定的改善作用。

采用電磁屏蔽措施

一般采用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。開關(guān)電源的屏蔽措施主要是針對開關(guān)管和高頻變壓器而言。開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，需要給 它裝散熱片，從而使開關(guān)管的集電極與散熱片間產(chǎn)生較大的分布電容。因此，在開關(guān)管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層，并且散熱片接機(jī)殼地，金屬層接到 熱端零電位，減小集電極與散熱片間藕合電容，從而減小散熱片產(chǎn)生的輻射干擾。針對高頻變壓器，首先應(yīng)根據(jù)導(dǎo)磁體屏蔽性質(zhì)來選擇導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)，如用罐型鐵芯和 El型鐵芯，則導(dǎo)磁體的屏蔽效果很好。

變壓器外加屏蔽時(shí)，屏蔽盒不應(yīng)緊貼在變壓器外面，應(yīng)留有一定的氣隙。如采用有氣隙的多層屏蔽物時(shí)，所得的屏蔽效果會(huì) 更好。另外，在高頻變壓器中，常常需要消除初、次級線圈間的分布電容，可沿著線圈的全長，在線圈間墊上銅箔制成的開路帶環(huán)，以減小它們之間的禍合，這個(gè)開 路帶環(huán)既與變壓器的鐵芯連接，又與電源的地連接，起到靜電屏蔽作用。如果條件允許，對整個(gè)開關(guān)電源加裝屏蔽罩，那樣就會(huì)更好地抑制輻射干擾。

結(jié)束語

隨著開關(guān)電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控制問題成為開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。由上述分析可知，采用EMI濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封 技術(shù)及接地技術(shù)等，可以有效地抑制、消除干擾源及受擾設(shè)備之間的禍合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑，從而提高開關(guān)電源的電磁兼容性。

審核編輯：劉清