高頻開(kāi)關(guān)變換器中EMI產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法

1  前言

    開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，廣泛用于通信、自動(dòng)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中。但是，其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)電源在高頻條件下工作，產(chǎn)生非常強(qiáng)的電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI），經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染周?chē)姶怒h(huán)境，對(duì)電子設(shè)備造成影響。本文從開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)、器件進(jìn)行分析，探討了電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法。

2 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機(jī)理

    開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，按耦合途徑來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。按噪聲干擾源可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是外部噪聲，例如通過(guò)電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的共模和差模干擾、外部電磁輻射對(duì)開(kāi)關(guān)電源控制電路的干擾等；另一類(lèi)是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁干擾，如開(kāi)關(guān)管、整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。其中外部噪聲產(chǎn)生的影響可以通過(guò)電源濾波器進(jìn)行衰減，本文不做討論，僅討論開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲。
常規(guī)交流輸入的開(kāi)關(guān)電源主要結(jié)構(gòu)可以分為四大部分，其框圖如圖1所示。

    其中輸入與整流濾波部分、高頻逆變部分、輸出整流與濾波部分是產(chǎn)生電磁干擾的主要來(lái)源。以下將通過(guò)對(duì)各部分電壓、電流波形的分析，闡明電磁噪聲產(chǎn)生的原因。

2．1  工頻整流器引起的電磁噪聲

    一般開(kāi)關(guān)電源為容式濾波，在輸入與整流濾波部分電磁噪聲主要是由整流過(guò)程中造成的電流尖峰、電壓波動(dòng)所引起的。正弦波電源經(jīng)過(guò)電源濾波器進(jìn)行差模、共模信號(hào)衰減后，由整流橋整流、電解電容濾波，得到的電壓作為高頻逆變部分的輸入電壓。由于濾波電容的存在，使整流器不象純整流那樣一組開(kāi)通半個(gè)周期，而是只在正弦電壓高于電容電壓時(shí)才導(dǎo)通，造成電流波形非常陡峭，同時(shí)電壓波形變得平緩。電流、電壓的波形如圖2所示。

    根據(jù)Fourier級(jí)數(shù)，圖中的電流、電壓波形可分解為直流分量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦交流分量之和。通過(guò)電磁場(chǎng)理論以及試驗(yàn)結(jié)果表明，諧波（特別是高次諧波）會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線(xiàn)傳播出去而形成的干擾稱(chēng)之為傳導(dǎo)干擾，在空間產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)向外輻射產(chǎn)生的干擾稱(chēng)之為輻射干擾。

2．2  變壓器與開(kāi)關(guān)管引起的電磁噪聲

    逆變部分是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓的調(diào)整，主要有開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。電磁噪聲主要是由于變壓器的漏感、分布電容以及開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通、關(guān)斷造成。開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器用作隔離和變壓，變壓器在理論分析時(shí)，通常認(rèn)為是理想變壓器，但是在實(shí)際應(yīng)用中變壓器存在漏感，而且在高頻的情況下，還要考慮變壓器層間的分布電容。高頻變壓器的等效電路模型如圖3所示。

    從圖中可以看到變壓器層間的分布電容使開(kāi)關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級(jí)之間傳遞。而且如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式通過(guò)變壓器的寄生電容傳到交流電源中。

    開(kāi)關(guān)電源的體積、重量減小的根本原因是使功率半導(dǎo)體器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但導(dǎo)致的結(jié)果是產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的電磁干擾。其原因是在工作過(guò)程中產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，以及變壓器漏感，電路寄生電感與開(kāi)關(guān)管寄生電容之間的高頻震蕩。開(kāi)關(guān)電源中的電壓波形大多為接近矩形的周期波，比如開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源電壓波形等。頻率高，一般在kHz以上，上升、下降時(shí)間短，dv/dt大，而且通過(guò)傅里葉展開(kāi)以后，包含的諧波頻率非常高，很容易污染周?chē)碾姶怒h(huán)境。

    開(kāi)關(guān)管（比如MOSFET ）在開(kāi)通關(guān)斷時(shí)，也會(huì)造成很強(qiáng)的電磁干擾。由于變壓器初級(jí)線(xiàn)圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒(méi)有從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，漏感中儲(chǔ)存能量，關(guān)斷瞬間電流發(fā)生突變，di/dt非常高，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。由電磁場(chǎng)理論可知：E=-Ldi/dt。[!--empirenews.page--]

    其值與電流的變化成正比，與電感成正比。因此漏感會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生傳導(dǎo)性電磁干擾。漏感與開(kāi)關(guān)管之間的寄生電容還會(huì)發(fā)生震蕩，影響電路中的電磁環(huán)境，產(chǎn)生噪聲。開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，寄生電容瞬間放電，產(chǎn)生尖峰電流，初級(jí)線(xiàn)圈也會(huì)造成浪涌電流的產(chǎn)生，影響電磁環(huán)境。

2．3  輸出整流二極管反向恢復(fù)造成的電磁噪聲

    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)反向電流，反向恢復(fù)電流脈沖的幅度、脈沖寬度和形狀與二極管本身的特性及電路參數(shù)有關(guān)，而且恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。高頻整流二極管由于反向恢復(fù)電流脈沖的幅度和di/dt都很大，它們?cè)谝€(xiàn)電感和與其相連接的電路中都會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，從而造成很強(qiáng)寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。二極管反向恢復(fù)過(guò)程電壓、電流波形如圖4所示。

    在高頻開(kāi)關(guān)電源、高頻DC/DC諧振變換器以及功率因數(shù)校正電路等重復(fù)開(kāi)關(guān)頻率較高的變流器電路中，都要用到快恢復(fù)二極管。它們的反向恢復(fù)時(shí)間通常在納秒量級(jí)，因此通過(guò)引線(xiàn)電感造成的瞬態(tài)電磁噪聲是不可忽視的。特別是在反激式開(kāi)關(guān)電源中，二極管反向恢復(fù)電流尖峰還有可能從次級(jí)傳到初級(jí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，形成一個(gè)電流尖峰，不僅容易燒毀開(kāi)關(guān)管，還造成電磁噪聲。

3  開(kāi)關(guān)電源電磁干擾（EMI）的抑制措施

    形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的藕合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，降低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的藕合通道，常用的方法是屏蔽、接地和濾波。在實(shí)踐中證明這些都是行之有效的方法。本文通過(guò)介紹一種可行性技術(shù)從電路上改進(jìn)，直接控制干擾源。

    軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電源的效率，在節(jié)能方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。但在一些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還大大降低了電磁干擾，準(zhǔn)諧振反激式變換器就是最好的一個(gè)實(shí)例，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    相對(duì)于一般的反激式變換器，準(zhǔn)諧振只在原來(lái)電路基礎(chǔ)上加了一個(gè)無(wú)源器件電容器，不會(huì)在電路中產(chǎn)生多余的電磁噪聲。通過(guò)改變控制方式，利用變壓器初級(jí)電感與電容器之間發(fā)生諧振，在開(kāi)關(guān)管電壓波形出現(xiàn)波谷處開(kāi)通；關(guān)斷時(shí)利用電容器進(jìn)行緩沖，可以大大降低開(kāi)關(guān)管上的關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰，從而降低電磁干擾。利用安森美的NCP1207制作的準(zhǔn)諧振反激式開(kāi)關(guān)電源，其開(kāi)關(guān)管上的電壓波形如圖6所示：

    從圖中可以看出開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，電壓非常低，有利于降低電流尖峰，關(guān)斷時(shí)，電壓尖峰小，從而電磁干擾降低。

4  結(jié)論

    隨著開(kāi)關(guān)電源的不斷高頻化，其電磁干擾問(wèn)題越發(fā)顯得重要。在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中，如何有效抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)電磁干擾的抗干擾能力（即EMC）是一個(gè)重要課題。因此，抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾還有大量的工作要做，需要全體工程技術(shù)人員不懈的努力。