EMI噪聲分析與EMI濾波器設計

0 引言

開(kāi)關(guān)電源作為一種通用電源，以其輕、薄、小和高效率等特點(diǎn)為人們所熟知，是各種電子設備小型化和低成本化不可缺少的一種電源方式，已成為當今的主流電源。隨著(zhù)電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其應用范圍也必將日益擴大，需求量也會(huì )與日俱增。

然而，當人們盡情享用開(kāi)關(guān)電源所帶來(lái)的輕、薄、小和高效率等種種便利之時(shí)，同時(shí)也帶來(lái)了噪聲干擾的種種危害。特別是開(kāi)關(guān)電源在向更小體積、更高頻率、更大功率的方向發(fā)展，其dV/dt、dI/dt所帶來(lái)的EMI噪聲也將會(huì )更大。它的傳導噪聲、輻射噪聲會(huì )波及整機的安全，有時(shí)會(huì )干擾一些CPU的指令，引起系統的誤操作，嚴重時(shí)還會(huì )引起系統的顛覆性破壞。為此，我們在使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)，要密切關(guān)注開(kāi)關(guān)電源的EMI噪聲所帶來(lái)的危害，采取積極的防范措施來(lái)降低EMI噪聲，把EMI噪聲的影響降到最低。

1 EMI噪聲電流

開(kāi)關(guān)電源的電路拓撲結構很多，按功率開(kāi)關(guān)管與高頻變壓器的組合工作方式可分為全橋、半橋、推挽、單端正激、單端反激等模式。在中小功率開(kāi)關(guān)電源模塊中，使用較多的電路拓撲結構為推挽式、單端正激式、單端反激式等。典型的單端正激式開(kāi)關(guān)電源電路框圖如圖1所示，它由功率開(kāi)關(guān)管Q1、高頻變壓器T、整流二極管Dl、續流二極管D2、輸出濾波電感L、輸出濾波電容C等組成。工作時(shí)，可由PWM控制單元送出脈寬可變的脈沖信號來(lái)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管Ql，當開(kāi)關(guān)管Q1導通時(shí)，再通過(guò)高頻變壓器將輸入端的直流能量傳到次級，開(kāi)關(guān)管Ql截止時(shí)，高頻變壓器進(jìn)行磁復位。通過(guò)高頻變壓器傳來(lái)的高頻脈沖經(jīng)整流二極管整流成單一方向的脈動(dòng)直流，這個(gè)脈動(dòng)直流經(jīng)輸出濾波電感和濾波電容濾波后，即可送出所需要的直流電壓。

在功率開(kāi)關(guān)管Q1的高頻開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中，流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器的脈沖會(huì )產(chǎn)生紛雜的諧波電壓及諧波電流。這些諧波電壓及諧波電流產(chǎn)生的噪聲可通過(guò)電源輸入線(xiàn)傳到公共供電端，或通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸出線(xiàn)傳到負載上，從而對其它系統或敏感元器件造成干擾。這些噪聲在電源線(xiàn)上傳導的噪聲頻譜圖如圖2所示，從圖中可以看出，在幾百kHz到50 MHz的頻段內，也就是在開(kāi)關(guān)頻率的基波和若干次諧波的頻段內，干擾噪聲的幅值遠遠超過(guò)了GJBl51A所規定的范圍，因而會(huì )造成系統傳導噪聲等電磁兼容指標超標。

那么這些噪聲是怎樣形成的，它又是怎樣傳播的呢?下面以中小功率金屬封裝結構的表面貼裝開(kāi)關(guān)電源模塊為例來(lái)進(jìn)行分析。

1.1 共模干擾電流

金屬封裝結構表面貼裝開(kāi)關(guān)電源模塊的整個(gè)電路元器件全部都裝配在基片上。PWM控制片、功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管等有源器件全部采用表面貼裝封裝元件。輸入輸出的電壓電流由引線(xiàn)送出，其內部結構示意圖如圖3所示。

管殼的底板是氧化鋁基片的載體，氧化鋁基片的正面是布線(xiàn)區和元器件的組裝區，背面用厚膜漿料進(jìn)行金屬化，然后通過(guò)焊料(如焊錫等)與管殼的金屬底板相連。氧化鋁基片的介電常數為8，厚度通常在0.5～1.0 mm范圍內。在氧化鋁基片正面的組裝區，表面貼裝元件(如PWM控制片、運放、基準源、MOSFET開(kāi)關(guān)管、整流二極管)等通過(guò)焊料(如導電膠、再流焊的焊錫等)與布線(xiàn)區的焊盤(pán)相連。這樣的連接方式雖然構成了電路回路，但也給電路帶來(lái)了新的寄生電容Cp。這些寄生電容的分布如圖4所示。

在初級回路中，功率開(kāi)關(guān)管芯片、PWM控制芯片、運算放大器芯片、電源正負輸入線(xiàn)的走線(xiàn)軌跡等都會(huì )與外殼底板之間產(chǎn)生寄生電容Cp，寄生電容的容量大小取決于基片的厚度和它們在底板上所占據的面積。這樣，在電路中，這些元器件及其走線(xiàn)與外殼底板之間就形成了分布電容Cp1、Cp2、……、Cp6等。這些分布電容在dV/dt、dI/dt及整流二極管反向恢復電流等共同影響下，就會(huì )引起噪聲電流。這些噪聲電流對于輸入電源線(xiàn)的正負之間、以及輸出負載線(xiàn)的正負之間大小相等，相位相同，稱(chēng)之為共模噪聲電流。共模噪聲電流的大小與分布電容的大小、dV/dt、dI/dt等有關(guān)。

1.2 初級差模干擾電流

圖5所示是初級差模干擾電流示意圖。在初級回路中，功率開(kāi)關(guān)管Q1、高頻變壓器原邊繞組Lp與輸入濾波電容Ci構成了開(kāi)關(guān)電源的輸入直流變換回路，這個(gè)變換回路在正常工作時(shí)，會(huì )將輸入的直流能量通過(guò)高頻變壓器傳給次級。但在功率開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)關(guān)時(shí)，高頻脈沖的上升和下降所引起的基波及諧波會(huì )沿著(zhù)輸入濾波電容Ci傳向輸入供電端，這種沿著(zhù)輸入電源線(xiàn)正負端傳播的噪聲電流稱(chēng)之為初級差模干擾電流IDIFF。

這種差模干擾電流IDIFF經(jīng)輸入電源線(xiàn)流向公共供電端，特別是當輸入濾波電容Ci濾波不足時(shí)，對輸入電源線(xiàn)的干擾很大，它還會(huì )通過(guò)公共的供電端干擾系統的其它部分，從而使其它部分的性能指標降低。

1.3 次級差模干擾電流

次級差模干擾電流示意圖如圖6所示。在開(kāi)關(guān)電源的次級回路中，高頻變壓器副邊繞組Ls和整流二極管V2負責將輸入的能量傳給負載。輸出濾波電感L、輸出濾波電容Co對高頻部分進(jìn)行濾波。整流二極管V2的作用是將次級繞組的脈沖波整流成直流。脈沖波為高電平時(shí)，整流二極管導通，此時(shí)將能量傳給負載，脈沖波為低電平時(shí)截止，輸出電流通過(guò)V3進(jìn)行續流。當整流二極管V2由導通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于二極管的載流子移動(dòng)會(huì )產(chǎn)生很大的反向恢復電流，這個(gè)反向恢復電流會(huì )沿著(zhù)輸出濾波電感和輸出濾波電容傳播到負載回路中。所以，沿著(zhù)輸出線(xiàn)傳播的EMI噪聲電流包含有兩個(gè)部分，一部分是正常傳送能量時(shí)所攜帶的開(kāi)關(guān)基頻與諧波的干擾電流，另一部分是二極管反向恢復電流所引起的干擾電流。這個(gè)沿著(zhù)輸出線(xiàn)正負端傳播的噪聲電流是差模干擾電流IDIFF。