高頻開(kāi)關(guān)電源中EMI產(chǎn)生的機理及其抑制方法

　　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、計算機等電子設備中。但是，其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)電源在高頻條件下工作，產(chǎn)生非常強的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），經(jīng)傳導和輻射會(huì )污染周?chē)姶怒h(huán)境，對電子設備造成影響。本文從開(kāi)關(guān)電源的電路結構、器件進(jìn)行分析，探討了電磁干擾產(chǎn)生的機理及其抑制方法。

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

　　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。

　　常規交流輸入的開(kāi)關(guān)電源主要結構可以分為四大部分，其框圖如圖1所示。

　　圖1 通常市電作為輸入的開(kāi)關(guān)電源結構框圖

　　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。

　　圖2 整流器通過(guò)的電流波形及電容上的電壓波形

　　根據Fourier級數，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倍的正弦交流分量之和。通過(guò)電磁場(chǎng)理論以及試驗結果表明，諧波（特別是高次諧波）會(huì )產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾。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)穩壓電源的核心，用以實(shí)現變壓、變頻以及完成輸出電壓的調整，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)，通常認為是理想變壓器，但是在實(shí)際應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。

　　圖3 高頻變壓器的等效電路模型

　　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體器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但導致的結果是產(chǎn)生了非常嚴重的電磁干擾。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 )造成很強的電磁干擾。由于變壓器初級線(xiàn)圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒(méi)有從一次側傳輸到二次側，漏感中儲存能量，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。由電磁場(chǎng)理論可知：E=-Ldi/dt。

　　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)勢疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生傳導性電磁干擾。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造成的電磁噪聲

　　二極管承受反向電壓時(shí)，PN結內積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向電流，反向恢復電流脈沖的幅度、脈沖寬度和形狀與二極管本身的特性及電路參數有關(guān)，而且恢復到零點(diǎn)的時(shí)間與結電容等因素有關(guān)。高頻整流二極管由于反向恢復電流脈沖的幅度和di/dt都很大，它們在引線(xiàn)電感和與其相連接的電路中都會(huì )產(chǎn)生很高的感應電壓，從而造成很強寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。二極管反向恢復過(guò)程電壓、電流波形如圖4所示。

　　圖4 二極管反向恢復過(guò)程電壓、電流波形

　　在高頻開(kāi)關(guān)電源、高頻DC/DC諧振變換器以及功率因數校正電路等重復開(kāi)關(guān)頻率較高的變流器電路中，都要用到快恢復二極管。它們的反向恢復時(shí)間通常在納秒量級，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，二極管反向恢復電流尖峰還有可能從次級傳到初級，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、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面著(zhù)手。首先應該抑制干擾源，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；第三是提高受擾設備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度。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)的應用大大提高了電源的效率，在節能方面做出了巨大的貢獻。但在一些電路拓撲結構中，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用還大大降低了電磁干擾，準諧振反激式變換器就是最好的一個(gè)實(shí)例，電路結構如圖5所示。

　　圖5 準諧振反激式變換器主電路結構

　　相對于一般的反激式變換器，準諧振只在原來(lái)電路基礎上加了一個(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：

　　圖6 380V DC輸入80W滿(mǎn)載輸出時(shí)開(kāi)關(guān)管漏-源極電壓波形

　　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 結論

　　隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的不斷高頻化，其電磁干擾問(wèn)題會(huì )顯得越來(lái)越重要。在開(kāi)發(fā)和設計開(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)電源本身對電磁干擾的抗干擾能力（即EMC）是一個(gè)很重要課題。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。