開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

近年來，開關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關(guān)電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。國內(nèi)已經(jīng)以新的3C認(rèn)證取代了CCIB和CCEE認(rèn)證，使得對開關(guān)電源在電磁兼容方面的要求更加詳細(xì)和嚴(yán)格。如今，如何降低甚至消除開關(guān)電源的EMI問題已經(jīng)成為全球開關(guān)電源設(shè)計(jì)師以及電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)師非常關(guān)注的問題。開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(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(fù)電流都是這類干擾源。開關(guān)電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)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(shù)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(jié)合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開關(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)闡述了開關(guān)電源EMI產(chǎn)生的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)以及在EMC設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重處理的技術(shù)環(huán)節(jié)，最后提出并總結(jié)了解決開關(guān)電源電磁兼容問題的方法和思路和開關(guān)電源EMI抑制技術(shù)。

圖1：SMPS的基本組成

一：SMPS的基本構(gòu)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(zhuǎn)換的DC/DC變換器，此外還有啟動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路，這些電路可統(tǒng)稱為控制電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，并與基準(zhǔn)電壓Uf比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

二：開關(guān)電源EMI的分析：

EMI是Electro Magnetic Interference的縮寫，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。開關(guān)電源的EMI特點(diǎn)比較明顯，其電壓、電流變化率很高，電源線路內(nèi)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(qiáng)電場和強(qiáng)磁場;干擾的主要形式為傳導(dǎo)干擾和近場干擾;干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線電流嚴(yán)重;PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預(yù)估的難度較大。現(xiàn)結(jié)合SMPS結(jié)構(gòu)(圖1)及并聯(lián)諧振倍壓變換器(圖2)為例介紹開關(guān)電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機(jī)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程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)檎也娫赐ㄟ^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(yàn)表明，諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

2、　開關(guān)回路的噪聲：

變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(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)開關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲能電感，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器T初級出現(xiàn)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，重者有可能擊穿開關(guān)管。

(2)由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾：當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(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(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導(dǎo)向配電系統(tǒng)，影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二級管稱為硬恢復(fù)特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)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(fù)載的影響，也都容易將噪聲耦合到開關(guān)電源內(nèi)部。

5、　各種元器件及回路的寄生分布參數(shù)引起的噪聲：

如圖3中所示，在EMI的頻率范圍內(nèi)，常用的無源器件都不能再被認(rèn)為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴(yán)重影響著它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，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。因此高頻電流會通過Co流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，最終流到與機(jī)殼地相連的交流電源的保護(hù)地線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：開關(guān)電路寄生電容