EMI噪聲分析及EMI濾波器的設計

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。

這種差模干擾電流會(huì )給負載電路帶來(lái)非常不利的影響，特別是輸出濾波電容濾波不足時(shí)，表現得特別厲害，它會(huì )影響負載電路中的模擬電路的靈敏度和數字電路的門(mén)限等，嚴重時(shí)，還會(huì )導致電路誤觸發(fā)，從而引起整個(gè)系統的工作不正常。

2 EMI噪聲抑制及濾波

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾途徑、干擾對象。要徹底解決電磁干擾問(wèn)題，從本質(zhì)上講，就是應當減小干擾源，只有干擾源的幅值減小了，電磁干擾才會(huì )從根本上得到抑制。而要減小開(kāi)關(guān)電源的EMI干擾幅值，就要使dV／dt、dI／dt減小，即降低開(kāi)關(guān)速度。但這種方法會(huì )使開(kāi)關(guān)電源的轉換效率降低，所以，對于這種解決方法，要綜合考慮各方面的因素之后才能采用。

2．1 高頻變壓器初級線(xiàn)圈的RC吸收

單端正激開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓為28 V，當功率開(kāi)關(guān)管、高頻變換器工作時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管Ql漏極上的波形如圖7所示，當功率開(kāi)關(guān)管Q1由導通變?yōu)榻刂箷r(shí)，高頻變壓器進(jìn)行諧振復位，此時(shí)它的諧振峰值為100 V。噪聲尖峰瞬時(shí)可達108 V，這么高的峰值電壓沿著(zhù)電源輸入線(xiàn)傳導出去，會(huì )引起很強的傳導干擾和輻射干擾。

為了降低峰值電壓，可在高頻變壓器初級線(xiàn)圈回路上并聯(lián)一個(gè)RC吸收網(wǎng)絡(luò )，圖8所示是并聯(lián)RC電路后功率開(kāi)關(guān)管Ql的漏極波形，圖中，其諧振峰值為60 V，噪聲尖峰只有66 V?？梢?jiàn)，并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò )可以有效降低諧振峰值，從而大大減小對電源端的EMI干擾。

2．2 加裝EMI濾波器

加裝EMI電源濾波器是抑制EMI噪聲最好的方法之一。在電源輸入端加裝EMI電源濾波器可以獲得雙重效果，它既可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的EMI干擾傳向電源端，亦可抑制來(lái)自電源端的EMI噪聲對開(kāi)關(guān)電源造成的干擾。

EMI電源濾波器的電路結構如圖9所示，該電路由共模濾波電路和差模濾波電路組成。其中Ll和L2是繞在同一磁芯上的兩只獨立線(xiàn)圈，稱(chēng)為共模線(xiàn)圈，其所繞線(xiàn)的圈數相同，線(xiàn)圈繞向相反。這樣。EMI濾波器接入電路后，兩個(gè)線(xiàn)圈內差模電流產(chǎn)生的磁通在磁罐內將互相抵消，因而不會(huì )使磁罐達到磁飽和，因此，兩只線(xiàn)圈的電感值能保持不變。其中，L1和CY1，L2和CY2分別構成L-E和N-E兩個(gè)獨立端口間的低通濾波器，可以抑制電源線(xiàn)上存在的共模EMI信號，以使這些共模EMI信號無(wú)法在電源線(xiàn)上進(jìn)行傳導。L3和CX則組成L-N獨立端口間的低通濾波器，可用來(lái)抑制電源線(xiàn)上的差模EMI信號。這兩方面結合起來(lái)，就可實(shí)現對電源線(xiàn)上共模EMI信號和差模EMI信號的抑制。

共模電感Ll和L2一般在幾mH至幾十mH，共模電容Cy要在滿(mǎn)足電路要求的條件下盡量取較大值，以便獲得更好的濾波效果。差模電感一般在幾十μH至幾百μH，差模電容Cx要選擇耐壓足夠高的陶瓷電容器。共模電感的磁性材料以高導磁率軟磁材料效果較好，差模電感的磁性材料以具有高飽和磁通密度的金屬鐵粉芯效果較好，最好不要用開(kāi)口鐵氧體材料。

加裝EMI電源濾波器后，電源線(xiàn)上的噪聲頻譜如圖10所示。和圖2相比較，加裝EMI濾波器對EMI噪聲的抑制十分明顯，在所有的頻段內，噪聲均得到了抑制，而且全部符合軍標要求。

2．3 EMI電源濾波器的安裝

加裝EMI電源濾波器一定要注意正確的安裝方式，錯誤的安裝方式不但起不到抑制噪聲的作用，有時(shí)還會(huì )適得其反。根據EMI濾波器的特性以及開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，在安裝EMI濾波器時(shí)，主要需注意兩個(gè)方面的問(wèn)題。第一，EMI電源濾波器的外殼必須接地，而且必須和開(kāi)關(guān)電源的外殼地連接在一起，這是因為EMI電源濾波器的共模濾波電容都連接在產(chǎn)品的外殼上，只有EMI電源濾波器的外殼與機殼相連，濾波器的共模濾波電路才會(huì )起作用，這樣也才能將開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的共模干擾電流濾除干凈，而且還要用較粗的導線(xiàn)將濾波器外殼與機殼相連，同時(shí)接地阻抗越低，濾波效果越好；第二，EMI電源濾波器必須安裝在電源的入口端，且應將濾波器的輸入輸出端盡量遠離，同時(shí)要避免輸入輸出線(xiàn)繞過(guò)濾波器而產(chǎn)生交叉干擾。

3 EMI噪聲標準

EMI噪聲的極限標準有美國的FCC-Paxt-15、德國的VDE-087l、IEC的CISPR-Pub22等，軍用標準有美國的MIL-STD-461，我國的軍用標準有GJBl5lA等。這些標準都規定了系統或整機中不同頻段的EMI噪聲在電源輸入線(xiàn)上的傳導極限。同時(shí)，各標準也都規定了應該測量的傳導噪聲的頻率范圍，具體見(jiàn)表1所列。相應的測試標準有CISPR-Publ7、GJBl52A等。

電磁電容的測試主要包含傳導和輻射兩個(gè)大項，而傳導和輻射中又包含發(fā)射度和敏感度兩項，所以，一共擴展為傳導發(fā)射度、傳導敏感度、輻射發(fā)射度、輻射敏感度等四個(gè)子項。在GJBl51A-97規定的有關(guān)開(kāi)關(guān)電源方面的測量項目如表2所列。

4 結束語(yǔ)

如何使整機通過(guò)電磁兼容測試是系統設計人員越來(lái)越關(guān)心的事情。要全面、系統的解決電磁兼容問(wèn)題，就必須從最初的設計和最基礎的原理入手。研究表明，電磁兼容設計必須從系統研制的初期(即方案論證階段)開(kāi)始考慮，并應貫穿于研制過(guò)程的各個(gè)階段。而且電磁兼容設計是實(shí)現系統電磁兼容的關(guān)鍵環(huán)節。有資料表明，若在產(chǎn)品開(kāi)始研制時(shí)進(jìn)行電磁兼容設計，大約90％的傳導和輻射干擾都可得到控制，由此可見(jiàn)，從EMI噪聲的產(chǎn)生開(kāi)始分析，從中找到抑制EMI噪聲的方法，并孰知有關(guān)的EMI噪聲測試方法，對整機通過(guò)電磁兼容測試是大有裨益的。