開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩定性好的優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來(lái)。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問(wèn)題非常突出。國內已經(jīng)以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，使得對開(kāi)關(guān)電源在電磁兼容方面的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開(kāi)關(guān)電源的EMI問(wèn)題已經(jīng)成為全球開(kāi)關(guān)電源設計師以及電磁兼容(EMC)設計師非常關(guān)注的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類(lèi)干擾源。開(kāi)關(guān)電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數決定了波形的基波頻率;兩倍脈沖邊緣上升時(shí)間或下降時(shí)間的倒數決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開(kāi)關(guān)電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成干擾。本文首先結合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開(kāi)關(guān)電源的整體EMI情況包括干擾源、耦合路徑以及敏感電路進(jìn)行了確定和分析，并同時(shí)闡述了開(kāi)關(guān)電源EMI產(chǎn)生的機理，在此基礎上提出了開(kāi)關(guān)電源EMC設計的實(shí)現以及在EMC設計過(guò)程中應著(zhù)重處理的技術(shù)環(huán)節，最后提出并總結了解決開(kāi)關(guān)電源電磁兼容問(wèn)題的方法和思路和開(kāi)關(guān)電源EMI抑制技術(shù)。
圖1：SMPS的基本組成
一：SMPS的基本構成：
如圖1所示，交流電經(jīng)整流橋進(jìn)入電源的核心部分--用以進(jìn)行功率轉換的DC/DC變換器，此外還有啟動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護、噪聲濾波等電路，這些電路可統稱(chēng)為控制電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，并與基準電壓Uf比較，誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調制(PWM)電路，再經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。
二：開(kāi)關(guān)電源EMI的分析：
EMI是Electro Magnetic Interference的縮寫(xiě)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。開(kāi)關(guān)電源的EMI特點(diǎn)比較明顯，其電壓、電流變化率很高，電源線(xiàn)路內的dv/dt、di/dt較大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它雜散噪聲，同時(shí)向外輻射強電場(chǎng)和強磁場(chǎng);干擾的主要形式為傳導干擾和近場(chǎng)干擾;干擾源主要集中在功率開(kāi)關(guān)器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線(xiàn)電流嚴重;PCB分布參數的提取和近場(chǎng)干擾預估的難度較大�，F結合SMPS結構(圖1)及并聯(lián)諧振倍壓變換器(圖2)為例介紹開(kāi)關(guān)電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機理。
圖2：某DC/DC功率變換器EMI示意圖
1、 輸入整流回路的噪聲：
如圖2中一次整流回路所示，基本整流器的整流過(guò)程是產(chǎn)生EMI最常見(jiàn)的原因。這是因為正弦波電源通過(guò)由D1～D4組成的整流器B后變成單向脈動(dòng)電流已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實(shí)驗表明，諧波(特別是高次諧波)會(huì )沿著(zhù)輸電線(xiàn)路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線(xiàn)上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過(guò)電源線(xiàn)產(chǎn)生射頻干擾。
2、 開(kāi)關(guān)回路的噪聲：
變壓器型功率轉換電路用以實(shí)現變壓、變頻以及完成輸出電壓調整，是開(kāi)關(guān)穩壓電源的核心，主要由開(kāi)關(guān)管Q1、Q2和高頻變壓器T組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：
(1)開(kāi)關(guān)功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器T初級出現很大的浪涌電流，將造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。
(2)由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾：當原來(lái)導通的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢：E=-Ldi/dt ，其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會(huì )傳導向配電系統，影響其它用電設備的安全和經(jīng)濟運行。
3、 輸出整流回路的噪聲：
如圖2中二級整流回路，是由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾。圖2中在輸出整流二極管D6、D7截止時(shí)，有一個(gè)反向電流，它恢復到零點(diǎn)的時(shí)間與結電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復到零點(diǎn)的二級管稱(chēng)為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數的影響下，將產(chǎn)生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。
4、 非主回路噪聲：
非主回路既是主回路以外的電路包括輸入輸出控制回路等，一般指圖1中除輸入及DC/DC變換器以外的部分，其中PWM部分的脈沖控制信號是主要的噪聲源。輸入回路易受電網(wǎng)的影響，而輸出回路易受負載的影響，也都容易將噪聲耦合到開(kāi)關(guān)電源內部。
5、 各種元器件及回路的寄生分布參數引起的噪聲：
如圖3中所示，在EMI的頻率范圍內，常用的無(wú)源器件都不能再被認為是理想的，它們的寄生參數嚴重影響著(zhù)它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數，例如：漏感，原付邊之間的分布電容等，都必須加以考慮。圖4中，一是Co的作用。散熱片k與開(kāi)關(guān)管Q的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Co在高頻時(shí)不能忽略。因此高頻電流會(huì )通過(guò)Co流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線(xiàn)de中，以產(chǎn)生共模輻射。二是C12的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C12，可能會(huì )將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線(xiàn)上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。
圖3：變壓器高頻電路中的寄生電容情況 圖4：開(kāi)關(guān)電路寄生電容
6、 其他影響開(kāi)關(guān)電源EMC性能的因素：
除以上元器件及回路外，電網(wǎng)狀況、負載形式以及電源所在環(huán)境的EMI強度也是影響開(kāi)關(guān)電源EMC性能的重要因素。以負載為例，負載加大，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大，而負載變化對開(kāi)通的|dv/dt|影響不大。由于開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|dv/dt|不同，從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。另外PCB的布線(xiàn)及元器件的布局都是相當關(guān)鍵的因素。實(shí)踐證明，印制板的元器件布置和布線(xiàn)設計對開(kāi)關(guān)電源EMC性能有極大的影響，在高頻開(kāi)關(guān)電源中，由于印制板上既有低電平小信號控制線(xiàn)，又有高壓電源母線(xiàn)，同時(shí)還有一些高頻功率開(kāi)關(guān)、磁性元件，如何在印制板有限的空間內合理地安排元器件位置，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。
7、開(kāi)關(guān)電源的敏感電路：
電磁敏感度(EMS)是指在存在電磁干擾的情況下，裝置、設備或系統不能避免性能降低的能力。開(kāi)關(guān)電源中，各個(gè)回路和元器件都同時(shí)是干擾源和敏感電路，但相比之下，開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出端、控制電路更容易受EMI 的影響而發(fā)生更嚴重的連鎖反應，所以這些電路應采取措施進(jìn)行重點(diǎn)保護，而干擾源則應該進(jìn)行抑制。
三：開(kāi)關(guān)電源EMC設計的實(shí)現、思路及方法：
電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設備在正常運行過(guò)程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。電磁兼容性包括兩方面：EMI(電磁干擾)，EMS(電磁耐受)兩方面。其中EMI包括：CE(傳導干擾)，RE(輻射干擾)，PT(干擾功率測試)等等。EMS包括：ESD(靜電放電)，RS(輻射耐受)，EFT/B(快速脈沖耐受)，surge(雷擊)，CS(傳導耐受)等等。
開(kāi)關(guān)電源內外部干擾產(chǎn)生及耦合的機理比較復雜，牽涉到的因素很多，要解決開(kāi)關(guān)電源的EMC問(wèn)題，必須要具體電路具體分析，避免盲目采取接地、屏蔽、濾波等措施。要針對開(kāi)關(guān)電源EMI的特點(diǎn)，確定主要的干擾因素(包括干擾源、耦合路徑、易感電路)，有的放矢的采取措施。具體而言，開(kāi)關(guān)電源的EMC設計應按照抑制干擾源能量、破壞干擾的耦合通道并對敏感電路進(jìn)行重點(diǎn)保護的思路進(jìn)行，把好電源的輸入輸出關(guān)口，具體考慮以下幾個(gè)方面：
1、 抑制干擾源
抑制干擾源是抑制開(kāi)關(guān)電源EMI的根本，是使開(kāi)關(guān)電源EMI低于規定極限值的有效方法。
(1)減小功率管通、斷過(guò)程中產(chǎn)生的騷擾
如前所述，開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾是來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt.因此減小功率開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開(kāi)關(guān)電源騷擾的重要方面。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以在一定程度上減小開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt.在研究各種變換器的EMI特性以及緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對干擾水平影響的實(shí)驗結果中表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開(kāi)關(guān)變換器的EMI電平最低。因此，采用軟開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，結合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線(xiàn)，對開(kāi)關(guān)電源的EMI水平有一定的改善。
(2)開(kāi)關(guān)頻率調制技術(shù)
調制技術(shù)是把基帶信號變換成傳輸信號的技術(shù)。它將模擬信號抽樣量化后，以二進(jìn)制數字信號"1"或"0"對光載波進(jìn)行通斷調制，并進(jìn)行脈沖編碼(PCM)。數字調制的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強，中繼時(shí)噪聲及色散的影響不積累，因此可實(shí)現長(cháng)距離傳輸。它的缺點(diǎn)是需要較寬的頻帶，設備也復雜�；鶐盘柺窃嫉碾娦盘�，一般是指基本的信號波形，在數字通信中則指相應的電脈沖。在無(wú)線(xiàn)遙測遙控系統和無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中調制就是用基帶信號控制高頻載波的參數(振幅、頻率和相位)，使這些參數隨基帶信號變化。用來(lái)控制高頻載波參數的基帶信號稱(chēng)為調制信號。未調制的高頻電振蕩稱(chēng)為載波(可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等)。
將頻率不變的調制改為隨機調制，變頻調制。固定頻率調制脈沖產(chǎn)生的干擾在低頻段主要是調制頻率的諧波干擾，低頻段的干擾主要集中在各諧波點(diǎn)上。由f.lin提出方法[3]基本思想是通過(guò)調制開(kāi)關(guān)頻率fc,把集中在fc及其諧波2fc,3fc……上的能量分散到它們周?chē)念l帶上，以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的emd幅值。該方法不能降低總干擾但能量被分散到頻點(diǎn)的基帶上，從而達到各個(gè)頻點(diǎn)都不超過(guò)emd規定的限值。
2、 切斷耦合通道
為了達到這個(gè)目的，主要從選擇合適的開(kāi)關(guān)電源電路拓撲;采用正確的接地、屏蔽、濾波措施;設計合理的元器件布局及印制板布線(xiàn)等幾個(gè)方面考慮。例如，在電源的輸入輸出端加濾波器能有效的阻斷EMI 的耦合通道。在交流電輸入端加裝電源濾波器，可抑制差模噪聲和共模噪聲，濾波器應接地，因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用�？蓪V波器與金屬外殼相接或用較粗的導線(xiàn)將濾波器外殼與設備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。
3、 保護敏感電路
干擾源和受擾體同時(shí)位于同一塊電路板上，應盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離的太遠而造成印制線(xiàn)過(guò)長(cháng)所帶來(lái)的干擾。開(kāi)關(guān)回路面積應盡量減小而控制回路則應避開(kāi)其輻射范圍放置。另外，對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要是做好機殼屏蔽，高頻變壓器屏蔽，開(kāi)關(guān)管和整流二極管的屏蔽。這樣通過(guò)屏蔽干擾電路來(lái)保護敏感電路這也是非常好的方法。
四：開(kāi)關(guān)電源EMI抑制技術(shù)：
除了屏蔽、接地、濾波等常用的EMI抑制技術(shù)以外，針對開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，一些新技術(shù)，如：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，功率管優(yōu)化驅動(dòng)技術(shù)、EMI濾波器設計技術(shù)和共模干擾有源抑制技術(shù)以及前文提及的開(kāi)關(guān)頻率調制技術(shù)等。然而，不論任何技術(shù)，最終都是為了抑制EMI,其根本是認識開(kāi)關(guān)電源EMI問(wèn)題的本質(zhì)。開(kāi)關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)目前還處于起步階段，在設計新的干擾抑制技術(shù)的同時(shí)，綜合運用已有的方法和技術(shù)也不失為一種好的方法。
五：結語(yǔ)：
開(kāi)關(guān)電源EMC設計是一項復雜的課題，應該將設計思想方法與具體技術(shù)相結合，在分析開(kāi)關(guān)電源EMI產(chǎn)生的位置、機理、強度等相關(guān)因素的基礎之上，建立有效的EMI分析設計模型，綜合運用各種手段來(lái)進(jìn)行解決。目的是使電源產(chǎn)品滿(mǎn)足相應的EMC標準規定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時(shí)，無(wú)性能的下降或故障;同時(shí)還要滿(mǎn)足相關(guān)EMC標準規定的電磁極限值要求，對電磁環(huán)境不構成污染源，而實(shí)現電磁兼容。開(kāi)關(guān)電源的EMC設計需受到電源開(kāi)發(fā)工程師的認真對待和足夠的重視，必須將這一環(huán)節放到產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)階段來(lái)做，否則付出的代價(jià)將是巨大的。 |
