詳解開關(guān)電源電磁干擾問題的解決方案

　　引言

　　近年來，開關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關(guān)電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出，國內(nèi)已經(jīng)以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，使得對開關(guān)電源在電磁兼容方面的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開關(guān)電源的EMI問題已經(jīng)成為全球開關(guān)電源設(shè)計師以及電磁兼容(EMC)設(shè)計師非常關(guān)注的問題。本文討論了開關(guān)電源電磁干擾形成的原因以及常用的EMI抑制方法。

　　開關(guān)電源的干擾源分析

　　開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。開關(guān)電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開關(guān)管的驅(qū)動波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率;兩倍脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關(guān)電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成干擾。

　　開關(guān)電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對開關(guān)電源控制電路的干擾等。另一類是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲，如開關(guān)管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。

　　如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對開關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開關(guān)電源在受到電磁干擾的同時也對電網(wǎng)其他設(shè)備以及負載產(chǎn)生電磁干擾(如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾)。進行開關(guān)電源EMI/EMC設(shè)計時一方面要防止開關(guān)電源對電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強開關(guān)電源本身對電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。

　　圖1 開關(guān)電源噪聲類型圖

　　1.1 電源線引入的電磁噪聲

　　電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾(Common-mode Interference)定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差;差模干擾(Differential-mode Interference)定義為任何兩個載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中CP1為變壓器初、次級之間的分布電容，CP2為開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容(即開關(guān)管集電極與地之間的分布電容)。

　　圖2 兩種干擾的等效電路

　　如圖2(a)所示，開關(guān)管V1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，其集電極電壓突升為高電壓，這個電壓會引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1 充電，分布電容的充電頻率即開關(guān)電源的工作頻率。則線路中共模電流總大小為(Icm1+Icm2)。如圖2(b)所示，當(dāng)V1導(dǎo)通時，差模電流Idm和信號電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級、開關(guān)管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們設(shè)置電源線濾波器時要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差模或共模濾波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波效果。

　　1.2 輸入電流畸變造成的噪聲

　　開關(guān)電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒有PFC功能的輸入級，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流i成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴重的諧波污染，對電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開關(guān)電源對電網(wǎng)的污染以及實現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的部分。

　　圖3 未加PFC電路的輸入電流和電壓波形

　　1.3 開關(guān)管及變壓器產(chǎn)生的干擾

　　主開關(guān)管是開關(guān)電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會造成電磁干擾。

　　開關(guān)電源工作過程中，由初級濾波大電容、高頻變壓器初級線圈和開關(guān)管構(gòu)成了一個高頻電流環(huán)路。該環(huán)路會產(chǎn)生較大的輻射噪聲。開關(guān)回路中開關(guān)管的負載是高頻變壓器初級線圈，它是一個感性的負載，所以，開關(guān)管通斷時在高頻變壓器的初級兩端會出現(xiàn)尖峰噪聲。輕者造成干擾，重者擊穿開關(guān)管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。

　　1.4 輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾

　　理想的二極管在承受反向電壓時截止，不會有反向電流通過。而實際二極管正向?qū)〞r，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個主要的干擾源?？梢酝ㄟ^在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器，以抑制其反向恢復(fù)噪聲。

　　1.5 分布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)電源噪聲

　　開關(guān)電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)?。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)?？梢酝ㄟ^改進繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。而開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容。

　　如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性[2],對其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開關(guān)電源在高頻工作時的穩(wěn)定性，設(shè)計開關(guān)電源時要充分考慮元件在高頻工作時的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關(guān)電源中的輻射干擾源。