如何从设计角度来降低开关电源的EMI电磁干扰

pwm · 发表于 2014-8-13 08:38:32

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先简单介绍一下下<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dr/200010060044/8298.html">EMI</a>：

　　EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备，都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。

　　电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。

　　所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/jdq/200010110002/18851.html">电源</a>也不例外的，所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。

　　下面结合一些专家的文献来描述EMI.

　　首先EMI 有三个基本面

　　<img width="388" height="225" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953388254526.jpg" />

　　就是

　　噪音源：发射干扰的源头。耦合途径：传播干扰的载体。 <a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/cgq/200010150006/17033.html">接收器</a>：被干扰的对象。

　　缺少一样，电磁干扰就不成立了。所以，降低电磁干扰的危害，也有三种办法：

　　1. 从源头抑制干扰。

　　2.切断传播途径

　　3.增强抵抗力，这个就是所谓的EMC(电磁兼容)

　　先解释几个名词：

　　传导干扰：也就是噪音通过导线传递的方式。

　　辐射干扰：也就是噪音通过空间辐射的方式传递。

　　差模干扰：由于电路中的自身电势差，<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dgq/200010090012/10541.html">电流</a>所产成的干扰，比如火线和零线，正极和负极。

　　共模干扰：由于电路和大地之间的电势差，电流所产生的干扰。

　　通常我们去实验室测试的项目：

　　传导发射：测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。

　　辐射发射：测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。

　　传导抗扰：在具有传导干扰的环境中，你的电源能否正常工作。

　　辐射抗扰：在具有辐射干扰的环境中，你的电源能否正常工作。

　　首先来看，噪音的源头：

　　任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法，分解为各种频率的正弦波。

　　所以在测试干扰的时候，需要测试各种频率下的噪音强度。

　　那么在<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/KG/200010120030/27242.html">开关</a>电源中，这些噪音的来源是什么呢?

　　<img width="405" height="309" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953435124527.jpg" />

　　<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dy/300010210032/29752.html">开关电源</a>中，由于开关器件在周期性的开合，所以，电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压，就是噪音的真正源头。

　　那么有人可能会问，我的开关频率是<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/100.html">100</a>KHz的，但是为什么测试出来的噪音，从几百K到几百M都有呢?

　　我们把同等有效值，同等频率的各种波形做快速傅立叶分析：

　　<img width="395" height="306" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953482004528.jpg" />

　　蓝色：正弦波

　　绿色：三角波

　　红色：方波

　　可以看到，正弦波只有基波分量，但是三角波和方波含有高次谐波，谐波最大的是方波。

　　也就是说如果电流或者电压波形，是非正弦波的信号，都能分解出高次谐波。

　　那么如果同样的方波，但是上升下降时间不同，会怎样呢。

　　同样是100KHz的方波
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<img width="366" height="322" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953544494529.jpg" /></center>

　　红色：上升下降时间都为100ns

　　绿色：上升下降时间都为500ns

　　可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。

　　我们继续分析下面两种波形，

　　A: 有严重高频震荡的方波，比如<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/MOS.html">MOS</a>，<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/qtdz/200010160002/28676.html">二极管</a>上的电压波形。

　　B:用吸收电路，把方波的高频振荡吸收一下。
<center>

<img width="375" height="177" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953700744530.jpg" />
</center>

　　分别做快速傅立叶分析：
<center>

<img width="398" height="268" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953747614531.jpg" />

可以看到在振荡频率(大概30M)之后，A波形的谐波，要大于B波形。
</center>

　　再来看，下面的波形，一个是具有导通尖峰的电流波形，一个没有导通尖峰。
<center>
 

<img width="346" height="211" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953810114532.jpg" />

　　对两个波形做傅立叶分析：
<center>

<img width="355" height="290" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953856994533.jpg" />
</center>

　　可以看到红色波形的高次谐波，要大于绿色波形。

　　继续对两个波形，作分析

　　红色: 固定频率的信号

　　绿色：具有稍微频率抖动的信号

　　<img width="357" height="275" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953903864534.jpg" />

　　可以看到，频率抖动，可以降低低频段能量。进一步，放大低频段的频谱能量：

　　<img width="396" height="281" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953966364535.jpg" />

　　可以看到，频率抖动就是把频谱能量分散了，而固定频率的频谱能量，集中在基波的谐波频率点，所以峰值比较高，容易超标。

　　最后稍微总结一下，如果从源头来抑制EMI。

　　1.对于开关频率的选择，比如传导测试<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/150.html">150</a>K-30M,那么在条件容许的情况下，可选择130K之类的开关频率，这样基波频率可以避开测试。

　　2.采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量，对低频段的EMI有好处。

　　3.适当降低开关速度，降低开关速度，可以降低开关时刻的di/<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dgq/200010090011/541129.html">dt</a>,dv/dt。对高频段的EMI有好处。

　　4.采用软开关技术，比如PSFB，<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/AHB.html">AHB</a>之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术，可以让一些波形变成正弦波，进一步降低EMI。

　　5.对一些振荡尖峰做吸收，这些管子上的振荡，往往频率很高，会发射很大的EMI.

　　6.采用反向恢复好的二极管，二极管的反向恢复电流，不但会带来高di/dt.还会和漏感等寄生<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dgq/200010090025/11848.html">电感</a>共同造成高的dv/dt.

　　下面来看一下传播途径，这个是poon &<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/AMP.html">amp</a>; Pong 两位教授总结的。

　　传播途径，比较的直观全面

<img width="394" height="244" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954013234536.jpg" />

　　我们先来看传导途径：

　　传导干扰的传递都是通过<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/dl/300010300001.html">电线</a>来传递的，测试的时候，使测试通过电线传导出来得干扰大小。

<img width="365" height="284" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954106984537.jpg" />

也就是说对电源来说，所有的传导干扰都会通过输入线，传递到测试接收器。

　　那么这些干扰如何传递到接收器的?又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢?
<center>

　　先来看差模的概念，差模电流很容易理解，如下图，

　<img width="410" height="203" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954153854538.jpg" />

　　差模电流在输入的火线和零线(或者正线到负线)之间形成回路，用基尔霍夫定理可以很容易理解，两条线上的电流完全相等。

　　而这个差模电流除了包含电网频率(或者直流)的低频分量之外，还有开关频率的高频电流，如果开关频率的电流不是正弦的，那么必然还有其谐波电流。

　　现在以最简单的，具有PFC功能的<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/detail/DCM.html">DCM</a> 反激电源为例子，(如上图)

　　其输入线上的电流如下：

　　<img width="403" height="238" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954200734539.jpg" />

　　如将其放大：

　<img width="376" height="304" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954247604540.jpg" />

　　可以看到电流波形为，众多三角波组成，但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析，可以得到：

　　<img width="386" height="248" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954294484541.jpg" />

　　可以看到，除了100Khz开关频率的基波之外，还有丰富的谐波。继续分析到更高频率，可以看到：

　<img width="395" height="252" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954591344542.jpg" />

　　如果不加处理，光差模电流就可以让传导超标。

　　那么如何，来阻挡这些高频电流呢?最简单有效的，就是加输入<a target="_blank" href="http://www.hqew.com/tech/qtdz/200010160002/28567.html">滤波器</a>。

　　例子1，在输入端加一个RC滤波器：

　　<img width="385" height="186" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954638224543.jpg" />

　　在对输入电流做傅立叶分析：　　
<center>
<img width="410" height="238" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954700724544.jpg" /></center>

　　可以看到高频谐波明显下降

　　如果加LC滤波器：
 
<center>
<img width="373" height="181" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954747594545.jpg" /></center>

　　对输入电流做分析：

　　<img width="397" height="287" src="http://www.hqew.com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954794464546.jpg" />

　　可以看到滤泡效果更好，但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。

　　而实际电路中，由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振，但是也会偶尔发生。

　　如果在传导测试中发现低频段，有非开关频率倍频的地方超标，可以考虑是否滤波器谐振。
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