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。

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和信號電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級、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，我們設(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 輸入電流畸變造成的噪聲

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，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，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，對電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開關(guān)電源對電網(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)也會造成電磁干擾。

開關(guān)電源工作過程中，由初級濾波大電容、高頻變壓器初級線圈和開關(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兩端會出現(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)?。其中變壓器繞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)?？梢酝ㄟ^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