開關(guān)電源電磁干擾（EMI）機(jī)理及新的抑制方法??

摘要：開關(guān)電源的電磁干擾對電子設(shè)備的性能影響很大，因此，各種標(biāo)準(zhǔn)對抑制電源設(shè)備電磁干擾的要求已越來越高。對開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理做了簡要的描述，著重總結(jié)了幾種近年提出的新的抑制電磁干擾的方法，并對其原理、應(yīng)用做了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁干擾；抑制

Mechanism of Electromagnetic Interference (EMI) in Switching

Power Supply and Several New Suppression Methods

LI Yi, LIN Long-feng, YIN Hua-jie?

Abstract:Because the electromagnetic interference (EMI) in the switching power supply has great effects on electronics equipments,the standards and requirements on suppressing EMI in power supply are more and more strict. A brief introduction about the mechanism of EMI in switching power supply is given at first, and then the new EMI suppression methods are overviewed and summarized.?

Keywords:Switching power supply; Electromagnetic interference; Suppression

1? 引言

??? 隨著電子設(shè)備的大量應(yīng)用，電源在這些設(shè)備中的地位越來越重要，而開關(guān)變換器由于體積小、重量輕、效率高等特點，在電源中占的比重越來越大。開關(guān)電源大多工作在高頻情況下，在開關(guān)器件的開關(guān)過程中，寄生元件（如寄生電容、寄生電感等）中能量的高頻變化產(chǎn)生了大量的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。

??? EMI信號占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)過在電路、空間中的傳導(dǎo)和輻射，污染了周圍的電磁環(huán)境，影響了與其它電子設(shè)備的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）性。隨著近年來各國對電子設(shè)備的電磁干擾和電磁兼容性能要求的不斷提高，對電磁干擾以及新的抑制方法的研究已成為開關(guān)電源研究中的熱點。

??? 本文對電磁干擾產(chǎn)生、傳播的機(jī)理進(jìn)行了簡要的介紹，重點總結(jié)了幾種近年來提出的抑制開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生及傳播的新方法。

2? 電磁干擾的產(chǎn)生和傳播方式

??? 開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。通常傳導(dǎo)干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學(xué)知識結(jié)合起來，對電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究；但對輻射干擾而言，由于電路中存在不同干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場理論，分析起來比較困難。下面將對這兩種干擾的機(jī)理作一簡要的介紹。

2.1? 傳導(dǎo)干擾的產(chǎn)生和傳播

??? 傳導(dǎo)干擾可分為共模（Common Mode-CM）干擾和差模（Differential Mode-DM）干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，使得開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。

2.1.1? 共模（CM）干擾

??? 變換器工作在高頻情況時，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關(guān)管出發(fā)流經(jīng)接地散熱片和地線，再由高頻LISN網(wǎng)絡(luò)（由兩個50Ω電阻等效）流回輸入線路。

圖1? 典型開關(guān)變換器中共模、差模干擾的傳播路徑

??? 根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實際應(yīng)用時常采用以下幾種抑制方法：

??? 1）優(yōu)化電路器件布置，盡量減少寄生、耦合電容。

??? 2）延緩開關(guān)的開通、關(guān)斷時間。但是這與開關(guān)電源高頻化的趨勢不符。

??? 3）應(yīng)用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。

2.2.2? 差模（DM）干擾

??? 開關(guān)變換器中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時就會產(chǎn)生差模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

2.2? 輻射干擾的產(chǎn)生和傳播

??? 輻射干擾又可分為近場干擾〔測量點與場源距離<λ/6（λ為干擾電磁波波長）〕和遠(yuǎn)場干擾（測量點與場源距離>λ/6）。由麥克斯韋電磁場理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可認(rèn)為是天線，可以應(yīng)用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時，二極管、開關(guān)管、電容等可看成電偶極子；電感線圈可以認(rèn)為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

??? 圖2是一個Boost電路的空間分布圖，把元器件看成電偶極子或磁偶極子，應(yīng)用相關(guān)電磁場理論進(jìn)行分析，可以得出各元器件在空間的輻射電磁干擾，將這些干擾量迭加，就可以得到整個電路在空間產(chǎn)生的輻射干擾。關(guān)于電偶極子、磁偶極子，可參考相關(guān)的電磁場書籍，此處不再論述。

圖2? Bosst電路在三維空間的分布

??? 需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場計算時這一點尤其重要。相位不同一是因為干擾從干擾源傳播到測量點存在時延作用（也稱遲滯效應(yīng)）；再一個原因是元器件本身的特性導(dǎo)致相位不同。如電感中電流相位比其它元器件要滯后。遲滯效應(yīng)引起的相位滯后是信號頻率作用的結(jié)果，僅在頻率很高時作用才較明顯（如GHz級或更高）；對于功率電子器件而言，頻率相對較低，故遲滯效應(yīng)作用不是很大。

3? 幾種新的電磁干擾抑制方法

??? 在開關(guān)電源產(chǎn)生的兩類干擾中，傳導(dǎo)干擾由于經(jīng)電網(wǎng)傳播，會對其它電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，往往引起更嚴(yán)重的問題。常用的抑制方法有：緩沖器法，減少耦合路徑法，減少寄生元件法等。近年來，隨著對電子設(shè)備電磁干擾的限制越來越嚴(yán)格，又出現(xiàn)了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無源緩沖電路的設(shè)計等幾個方面。下面分別予以介紹。

3.1? 新的控制方法—調(diào)制頻率控制

??? 干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關(guān)頻率點上，所以很難滿足抑制EMI的要求。通過將開關(guān)信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而更容易達(dá)到EMI的標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制頻率（Modulated Frequency）控制就是根據(jù)這種原理實現(xiàn)對開關(guān)電源電磁干擾的抑制。

??? 最初人們采用隨機(jī)頻率（Randomized Frequency）控制[1]，其主要思想是，在控制電路中加入一個隨機(jī)擾動分量，使開關(guān)間隔進(jìn)行不規(guī)則變化，則開關(guān)噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲，其 峰 值 大 大 下 降 。 具 體 辦 法 是 ， 由 脈 沖 發(fā) 生 器 產(chǎn) 生 兩 種 不 同 占 空 比 的 脈 沖 ， 再 與 電 壓 誤 差 放 大 器 產(chǎn) 生 的 誤 差 信 號 進(jìn) 行 采 樣 選 擇 產(chǎn) 生 最 終 的 控 制 信 號 。 其 具 體 的 控 制 波 形 如 圖3(a)所 示 。

(a)? 隨機(jī)頻率控制原理波形圖

(b)? 調(diào)制頻率控制原理波形圖

圖3? 兩種不同的頻率調(diào)制波形

??? 但是，隨機(jī)頻率控制在開通時基本上采用PWM控制的方法，在關(guān)斷時才采用隨機(jī)頻率，因而其調(diào)制干擾能量的效果不是很好，抑制干擾的效果不是很理想。而最新出現(xiàn)的調(diào)制頻率控制則很好地解決了這些問題。其原理是，將主開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻帶周圍產(chǎn)生一系列的邊頻帶，從而將噪聲能量分布在很寬的頻帶上，降低了干擾。這種控制方法的關(guān)鍵是對頻率進(jìn)行調(diào)制，使開關(guān)能量分布在邊頻帶的范圍，且幅值受調(diào)制系數(shù)β的影響（調(diào)制系數(shù)β=Δf/fm，Δf為相鄰邊頻帶間隔，fm為調(diào)制頻率），一般β越大調(diào)制效果越好[2][3]，其控制波形如圖3(b)所示。

??? 圖4即為一個根據(jù)調(diào)制頻率原理設(shè)計的控制電路。各種控制方法可以在不影響變換器工作特性的情況下，很好地抑制開通、關(guān)斷時的干擾。

圖4? 一個典型的調(diào)制頻率控制電路

3.2? 新的無源緩沖電路設(shè)計

??? 開關(guān)變換器中電磁干擾是在開關(guān)管開關(guān)時刻產(chǎn)生的。以整流二極管為例，在開通時，其導(dǎo)通電流不僅引起大量的開通損耗，還產(chǎn)生很大的di/dt，導(dǎo)致電磁干擾；而在關(guān)斷時，其兩端的電壓快速升高，有很大的dv/dt，從而產(chǎn)生電磁干擾。緩沖電路不僅可以抑制開通時的di/dt、限制關(guān)斷時的dv/dt，還具有電路簡單、成本較低的特點，因而得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的緩沖電路中往往采用有源輔助開關(guān)，電路復(fù)雜不易控制，并有可能導(dǎo)致更高的電壓或電流應(yīng)力，降低了可靠性。因此許多新的無源緩沖器應(yīng)運而生，以下分別予以總結(jié)介紹。

3.2.1? 二極管反向恢復(fù)電流抑制電路

??? 對于圖5(a)的Boost電路，Q1開通后，D1將關(guān)斷。但由于此前D1上的電流為工作電流，要降為零，其dv/dt將很高。D1的關(guān)斷只能靠反向恢復(fù)電流尖峰，而現(xiàn)有的抑制二極管反向恢復(fù)電流的方法大多只適用于特定的變換器電路，而且只對應(yīng)某一種的輸入輸出模式，適用性很差。國外有人提出了圖5(b)的電路[6]，可以較好地解決這一缺陷。

??? 圖5(b)的關(guān)鍵在于把一個輔助二極管（D2）、一個小的輔助電感（L2）與主功率電感（L1）的部分線圈串聯(lián)，然后與主二極管（D1）并聯(lián)。其工作原理是，在Q1開通時，利用輔助電感及輔助二極管構(gòu)成的輔助電路進(jìn)行分流，使主二極管D1上的電流降為零，并維持到Q1關(guān)斷。由于電感L2的作用，輔助二極管D2上的反向恢復(fù)電流是很小的，可以忽略。

(a)? Boost電路

(b)? 二極管反向恢復(fù)電路

圖5? Boost電路及其二極管反向恢復(fù)電路

??? 這種方法除了可用于一般的變換器電路，以限制主二極管的反向恢復(fù)電流，還可以用在輸入輸出整流二極管的恢復(fù)電流抑制上。圖6是這種應(yīng)用的舉例。這種技術(shù)應(yīng)用在一般的電源電路里，都可以獲得有效抑制反向恢復(fù)尖峰電流、降低EMI、減少損耗提高效率的效果。

(a)?? 輸入整流電路

(b)? 輸出整流電路

圖6? 輸入輸出整流二極管反向恢復(fù)電流抑制電路

3.2.2? 無損緩沖電路

??? 在變換器電路中，主二極管反向恢復(fù)時，會對開關(guān)管造成很大的電流、電壓應(yīng)力，引起很大的功耗，極易造成器件的損壞。為了抑制這種反向恢復(fù)電流，減少損耗，而提出了一種無損緩沖電路[5]，如圖7所示。

圖7? 無損緩沖電路

??? 其主要工作原理是，主開關(guān)Q開通時的di/dt應(yīng)力、關(guān)斷時的dv/dt應(yīng)力分別受L1、C1所限制，利用L1、C1、C2之間相互的諧振及能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對主二極管D反向恢復(fù)電流的抑制，使開關(guān)損耗、EMI大大減少。不僅如此，由于開通時C1上的能量轉(zhuǎn)移到C2，關(guān)斷時C2和L1上的能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載，這種緩沖電路的損耗很低，效率很高。

3.2.3? 無源補(bǔ)償技術(shù)

??? 傳統(tǒng)的共模干擾抑制電路如圖8所示。為了使通過濾波電容Cy流入地的漏電流維持在安全范圍，Cy的值都較小，相應(yīng)的扼流線圈LCM就變大，特別是由于LCM要傳輸全部的功率，其損耗、體積和重量都會變大。應(yīng)用無源補(bǔ)償技術(shù)，則可以在不影響主電路工作的情況下，較好地抑制電路的共模干擾，并可減少LCM、節(jié)省成本。

圖8? 共模干擾濾波器

??? 由于共模干擾是由開關(guān)器件的寄生電容在高頻時的dv/dt產(chǎn)生的，因此，用一個額外的變壓器繞組在補(bǔ)償電容上產(chǎn)生一個180°的反向電壓，產(chǎn)生的補(bǔ)償電流再與寄生電容上的干擾電流迭加，從而消除干擾。這就是無源補(bǔ)償?shù)脑怼?

??? 圖9(a)為加入補(bǔ)償電路的隔離式半橋電路。由于半橋、全橋電路常用于大功率場合，濾波電感LCM較大，所以補(bǔ)償?shù)男Ч麜黠@。該電路在變壓器上加了一個補(bǔ)償線圈Nc，匝數(shù)與原邊繞組一樣；補(bǔ)償電容CCOMP的大小則與寄生電容CPARA一樣。這樣一來，工作時的Nc使CCOMP產(chǎn)生一個與CPARA上干擾電流大小相同、方向相反的補(bǔ)償電流，迭加后消除了干擾電流。補(bǔ)償線圈不流過全部的功率，僅傳輸干擾電流，補(bǔ)償電路十分簡單。

??? 同樣，對于圖9(b)中的正激式電路，利用其自身的磁復(fù)位線圈，可以更加方便地實現(xiàn)補(bǔ)償。無源補(bǔ)償技術(shù)還可以應(yīng)用于非隔離式的變換器電路中，如圖10所示，原理是一樣的。

(b)? 帶補(bǔ)償電路的正激電路

(a)? 帶補(bǔ)償電路的隔離式半橋電路

圖9? 兩種無源補(bǔ)償電路

(a) Boost電路

(b)? Buck電路

圖10? 帶補(bǔ)償電路的非隔離式Boost、Buck電路

??? 需要注意的是，無源補(bǔ)償技術(shù)有一定的應(yīng)用條件，它受開關(guān)電流、電壓的上升、下降時間，以及變壓器結(jié)構(gòu)等因素的影響，特別當(dāng)變壓器的線間耦合電容遠(yuǎn)大于寄生電容時，干擾電流不經(jīng)補(bǔ)償線圈而直接進(jìn)入大地，此時抑制效果就不很理想。

4? 結(jié)語

??? 產(chǎn)生噪聲的來源很多，如外來干擾、機(jī)械振動、電路設(shè)計不當(dāng)、元器件選擇不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)布局或布線不合理等。在開關(guān)變換器中，功率三極管和二極管在開－關(guān)過程中所產(chǎn)生的射頻能量是干擾的主要來源之一。由于頻率較高，或以電磁能的形式直接向空間輻射（輻射干擾），或以干擾電流的形式沿著輸入、輸出導(dǎo)線傳送（傳導(dǎo)干擾），其中后者的危害更為嚴(yán)重。

??? 開關(guān)電源技術(shù)是一項綜合性技術(shù)，可以利用先進(jìn)的半導(dǎo)體電路設(shè)計技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)以及開關(guān)器件技術(shù)等來有效地減少和抑制EMI。目前，開關(guān)電源已日益廣泛地應(yīng)用到各種控制設(shè)備、通信設(shè)備以及家用電器中，其電磁干擾問題、及與其它電子設(shè)備的電磁兼容問題已日益成為人們關(guān)注的熱點，未來電磁干擾及其相關(guān)問題必將得到更多的研究。

參考文獻(xiàn)

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