開(kāi)關(guān)電源傳導EMI預測探討

針對開(kāi)關(guān)電源設計階段應考慮的EMC問(wèn)題，介紹了PCB及其結構寄生參數提取和頻域仿真的方法，在開(kāi)關(guān)電源設計階段對其傳導EMI進(jìn)行預測，定位開(kāi)關(guān)電源傳導EMI傳播路徑的影響因素，在此基礎上給出開(kāi)關(guān)電源PCB及其結構設計的基本原則。對開(kāi)關(guān)電源EMI預測過(guò)程中需要注意的問(wèn)題以及降低開(kāi)關(guān)電源傳導EMI的方法策略進(jìn)行了分析和總結。

　　1　引言

　 傳統的EMC的補救辦法只能增加額外的元器件，而增加元件有可能影響原始的控制環(huán)帶寬，造成重新設計整個(gè)系統的最壞情況，增加了設計成本。為了避免出現這樣的情況，需要在設計過(guò)程中考慮EMC的問(wèn)題，對開(kāi)關(guān)電源的EMI進(jìn)行一定精度的分析和預測，并根據干擾產(chǎn)生的機理及其在各頻帶的分布情況改進(jìn)設計，降低EMI水平，從而降低設計成本。

　　2　開(kāi)關(guān)電源EMI特點(diǎn)及分類(lèi)

　　對開(kāi)關(guān)電源傳導電磁干擾進(jìn)行預測，首先需要明確其產(chǎn)生機理以及噪聲源的各項特性。由于功率開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其電壓和電流變化率都很高，上升沿和下降沿包含了豐富的高次諧波，所以產(chǎn)生的電磁干擾強度大;開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾主要集中在二極管、功率開(kāi)關(guān)器件以及與其相連的散熱器和高頻變壓器附近;由于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率從幾十kHz到幾MHz，所以開(kāi)關(guān)電源的干擾形式主要是傳導干擾和近場(chǎng)干擾。其中，傳導干擾會(huì )通過(guò)噪聲傳播路徑注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設備。

　　開(kāi)關(guān)電源傳導干擾分為2大類(lèi)。

　　1)差模(DM)干擾。DM 噪聲主要由di/dt引起，通過(guò)寄生電感，電阻在火線(xiàn)和零線(xiàn)之間的回路中傳播，在兩根線(xiàn)之間產(chǎn)生電流Idm，不與地線(xiàn)構成回路。

　　2)共模(CM)干擾。CM 噪聲主要由dv/dt引起，通過(guò)PCB的雜散電容在兩條電源線(xiàn)與地的回路中傳播，干擾侵入線(xiàn)路和地之間，干擾電流在兩條線(xiàn)上各流過(guò)二分之一，以地為公共回路;在實(shí)際電路中由于線(xiàn)路阻抗不平衡，使共模信號干擾會(huì )轉化為不易消除的串擾干擾。

　　3　開(kāi)關(guān)電源EMI的仿真分析

　　從理論上來(lái)講，無(wú)論是時(shí)域仿真還是頻域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真結果都能正確反映系統的EMI量化程度。

　　時(shí)域仿真方法需要建立變換器中包含所有元件參數的電路模型，利用PSPICE或Saber軟件進(jìn)行仿真分析，使用快速傅里葉分析工具得到EMI的頻譜波形，這種方法在DM 噪聲的分析中已經(jīng)得到了驗證。然而開(kāi)關(guān)電源中的非線(xiàn)性元件如MOSFET，IGBT 等半導體器件，其非線(xiàn)性特性和雜散參數使模型非常復雜，同時(shí)開(kāi)關(guān)電源電路工作時(shí)其電路拓撲結構不斷改變，導致了仿真中出現不收斂的問(wèn)題。在研究CM 噪聲時(shí)，必須包含所有的寄生元件參數，由于寄生參數的影響，FFT結果和實(shí)驗結果很難吻合;開(kāi)關(guān)功率變換器通常工作在很大的時(shí)間常數范圍內，主要包括3組時(shí)間常數：與輸出端的基本頻率有關(guān)的時(shí)間常數(幾十ms);與開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的時(shí)間常數(幾十μs);與開(kāi)關(guān)元件導通或關(guān)斷時(shí)的上升時(shí)間和下降時(shí)間有關(guān)的時(shí)間常數(幾ns)。

　　正因如此，在時(shí)域仿真中，必須使用非常小的計算步長(cháng)，并且需要用很長(cháng)時(shí)間才能完成計算;另外，時(shí)域方法得到的結果往往不能清晰地分析電路中各個(gè)變量對干擾的影響，不能深層解釋開(kāi)關(guān)電源的EMI行為，而且缺乏對EMI機理的判斷，不能為降低EMI給出明確的解決方案。

　　頻域仿真是基于噪聲源和傳播途徑阻抗模型基礎上的分析方法。利用LISN為噪聲源提供標準負載阻抗。如圖1所示，從LISN看過(guò)去，整個(gè)系統可以簡(jiǎn)化成噪聲源、噪聲路徑和噪聲接收器(LISN)。頻域方法可以大大降低仿真計算的時(shí)間，一般不會(huì )出現計算結果不收斂的情況。

　　圖1　噪聲源與傳播路徑概念

　　圖1中，噪聲路徑包括PCB傳導、耦合路徑，散熱片電容耦合路徑，變壓器耦合路徑等。