解決開關(guān)電源電磁干擾問題的方案

引言

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(duì)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。本文討論了開關(guān)電源電磁干擾形成的原因以及常用的EMI抑制方法。

開關(guān)電源的干擾源分析

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(duì)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(hào)都對(duì)開關(guān)電源基本信號(hào)，尤其是控制電路的信號(hào)造成干擾。

開關(guān)電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對(duì)開關(guān)電源控制電路的干擾等。另一類是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲，如開關(guān)管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。

如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開關(guān)電源在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備以及負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾(如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾)。進(jìn)行開關(guān)電源EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)一方面要防止開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強(qiáng)開關(guān)電源本身對(duì)電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。

圖1 開關(guān)電源噪聲類型圖

1.1 電源線引入的電磁噪聲

電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾(Common-mode Interference)定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差;差模干擾(Differential-mode Interference)定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中CP1為變壓器初、次級(jí)之間的分布電容，CP2為開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容(即開關(guān)管集電極與地之間的分布電容)。

圖2 兩種干擾的等效電路

如圖2(a)所示，開關(guān)管V1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，其集電極電壓突升為高電壓，這個(gè)電壓會(huì)引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1 充電，分布電容的充電頻率即開關(guān)電源的工作頻率。則線路中共模電流總大小為(Icm1+Icm2)。如圖2(b)所示，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，差模電流Idm和信號(hào)電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級(jí)、開關(guān)管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們?cè)O(shè)置電源線濾波器時(shí)要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差模或共模濾波元件抑制它們的干擾，以達(dá)到最好的濾波效果。

1.2 輸入電流畸變?cè)斐傻脑肼?/p>

開關(guān)電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級(jí)，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流i成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染，對(duì)電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染以及實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的部分。

圖3 未加PFC電路的輸入電流和電壓波形

1.3 開關(guān)管及變壓器產(chǎn)生的干擾

主開關(guān)管是開關(guān)電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。

開關(guān)電源工作過程中，由初級(jí)濾波大電容、高頻變壓器初級(jí)線圈和開關(guān)管構(gòu)成了一個(gè)高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會(huì)產(chǎn)生較大的輻射噪聲。開關(guān)回路中開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器初級(jí)線圈，它是一個(gè)感性的負(fù)載，所以，開關(guān)管通斷時(shí)在高頻變壓器的初級(jí)兩端會(huì)出現(xiàn)尖峰噪聲。輕者造成干擾，重者擊穿開關(guān)管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。

1.4 輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾

理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過。而實(shí)際二極管正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向恢復(fù)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)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個(gè)主要的干擾源?？梢酝ㄟ^在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器，以抑制其反向恢復(fù)噪聲。

1.5 分布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)電源噪聲

開關(guān)電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級(jí)之間的分布電容以及開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔浩骼@組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)。可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。而開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容。

如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性[2],對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開關(guān)電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關(guān)電源中的輻射干擾源。

圖4 高頻工作下的元件頻率特性

開關(guān)電源EMI抑制措施

電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問題。開關(guān)電源工作在高電壓大電流的高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其引起的電磁兼容性問題是比較復(fù)雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

2.1 抑制開關(guān)電源中各類電磁干擾源

為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時(shí)也提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)。

軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開關(guān)器件開通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開關(guān)損耗的主要原因。使用軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關(guān)管或高頻變壓器初級(jí)線圈兩端的尖峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。

輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形 BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線;當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。

圖5 飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)電流中的應(yīng)用

2.2 切斷電磁干擾傳輸途徑--共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖6所示。一個(gè)合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖6中CX1和CX2叫