一种新型功率变换器的电磁干扰分析及抑制

前言：

电源是一种功率变换系统,它对于一切电子设备都是必不可少的组成部分，作为系统能量之源，其输出电压电流的质量对其所在电子设备的稳定性、可靠性及电磁兼容性（EMC）都起到了全局性和决定性的影响！开关电源（SMPS）已在大多数电子设备中得到广泛应用，但电源自身产生的高密度、宽频谱的电磁信号却形成了严重的电磁干扰，这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，构成了一个强电磁干扰（EMI）源，对电子设备的正常运行构成严重的威胁。而相对的是复杂的电磁环境却要求电子设备具有更高的电磁兼容性，电磁兼容是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降。电磁兼容问题已成为各领域乃至各国政府越来越关心的问题！因此，只有解决开关电源的电磁兼容性问题，才能保证其输出精度、效率及稳定性，保证其符合EMC法规指标并为其所在电子系统提供安全、精良、可靠的能源。本文首先结合并联谐振倍压变换器对开关电源的整体EMI情况包括干扰源、耦合路径以及敏感电路进行了确定和分析，并同时阐述了开关电源EMI产生的机理，在此基础上提出了开关电源EMC设计的实现以及在EMC设计过程中应着重处理的技术环节，最后提出并总结了解决开关电源电磁兼容问题的方法和思路和开关电源EMI抑制技术。

图1：SMPS的基本组成

一：SMPS的基本构成：

如图1所示，交流电经整流桥进入电源的核心部分--用以进行功率转换的DC/DC变换器，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路，这些电路可统称为控制电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，并与基准电压Uf比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。

二：开关电源EMI的分析：

开关电源产生EMI的原因较多，其内部电磁兼容问题也比较复杂，包括主电路和控制电路各自及其之间的EMC问题、主电路的EMI和控制电路的电磁敏感性（EMS）问题、主电路与电网、主电路与负载、电力电子设备之间的EMC问题等，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。开关电源的EMI特点比较明显，其电压、电流变化率很高，电源线路内的dv/dt、di/dt较大，产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它杂散噪声，同时向外辐射强电场和强磁场；干扰的主要形式为传导干扰和近场干扰；干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器且地线电流严重；PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度较大。现结合SMPS结构（图1）及并联谐振倍压变换器（图2）为例介绍开关电源EMI的干扰源的主要位置及干扰机理。

             图2：某DC/DC功率变换器EMI示意图

1、 输入整流回路的噪声：
如图2中一次整流回路所示，基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波电源通过由D1～D4组成的整流器B后变成单向脉动电流已不再是单一频率的电流，此电流波可分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。
2、 开关回路的噪声：
变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管Q1、Q2和高频变压器T组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：
（1）开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感，在开关管关断的瞬间，变压器T初级出现很大的浪涌电流，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。
（2）由高频变压器产生的干扰：当原来导通的开关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势：E=－Ldi/dt ，其值与集电极的电流变化率（di/dt）成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，形成传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会传导向配电系统，影响其它用电设备的安全和经济运行。
3、 输出整流回路的噪声：
如图2中二级整流回路，是由输出整流二极管产生的干扰。图2中在输出整流二极管D6、D7截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。
4、 非主回路噪声：
非主回路既是主回路以外的电路包括输入输出控制回路等，一般指图1中除输入及DC/DC变换器以外的部分，其中PWM部分的脉冲控制信号是主要的噪声源。输入回路易受电网的影响，而输出回路易受负载的影响，也都容易将噪声耦合到开关电源内部。
5、 各种元器件及回路的寄生分布参数引起的噪声：
如图3中所示，在EMI的频率范围内，常用的无源器件都不能再被认为是理想的，它们的寄生参数严重影响着它们的高频特性。特别是变压器的许多寄生参数，例如：漏感，原付边之间的分布电容等，都必须加以考虑。图4中，一是Co的作用。散热片k与开关管Q的集电极间虽然有绝缘垫片，但由于其接触面较大，绝缘垫较薄，因此两者之间的分布电容Co在高频时不能忽略。因此高频电流会通过Co流到散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线de中，以产生共模辐射。二是C12的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容C12，可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去，在副边用作直流输出的两条电源线上产生同相位的共模噪声。

    
图3：变压器高频电路中的寄生电容情况              图4：开关电路寄生电容

6、 其他影响开关电源EMC性能的因素：
除以上元器件及回路外，电网状况、负载形式以及电源所在环境的EMI强度也是影响开关电源EMC性能的重要因素。以负载为例，负载加大，开关管Q关断产生的|dv/dt|值加大，而负载变化对开通的|dv/dt|影响不大。由于开通和关断时产生的|dv/dt|不同，从而对外部产生的骚扰脉冲也是不同的。另外PCB的布线及元器件的布局都是相当关键的因素。实践证明，印制板的元器件布置和布线设计对开关电源EMC性能有极大的影响，在高频开关电源中，由于印制板上既有低电平小信号控制线，又有高压电源母线，同时还有一些高频功率开关、磁性元件，如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。
7、开关电源的敏感电路：
电磁敏感度（EMS）是指在存在电磁干扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。开关电源中，各个回路和元器件都同时是干扰源和敏感电路，但相比之下，开关电源的输入输出端、控制电路更容易受EMI 的影响而发生更严重的连锁反应，所以这些电路应采取措施进行重点保护，而干扰源则应该进行抑制。

三：开关电源EMC设计的实现、思路及方法：

开关电源内外部干扰产生及耦合的机理比较复杂，牵涉到的因素很多，要解决开关电源的EMC问题，必须要具体电路具体分析，避免盲目采取接地、屏蔽、滤波等措施。要针对开关电源EMI的特点，确定主要的干扰因素（包括干扰源、耦合路径、易感电路），有的放矢的采取措施。具体而言，开关电源的EMC设计应按照抑制干扰源能量、破坏干扰的耦合通道并对敏感电路进行重点保护的思路进行，把好电源的输入输出关口，具体考虑以下几个方面：
1、 抑制干扰源
 抑制干扰源是抑制开关电源EMI的根本，是使开关电源EMI低于规定极限值的有效方法。
（1）减小功率管通、断过程中产生的骚扰
如前所述，开关电源的主要骚扰是来自功率开关管通、断的dv/dt。因此减小功率开关管通、断的dv/dt是减小开关电源骚扰的重要方面。软开关技术可以在一定程度上减小开关管通、断的dv/dt。在研究各种变换器的EMI特性以及缓冲电路、箝位电路、变频与定频控制对干扰水平影响的实验结果中表明，具有电压箝位的零电压定频开关变换器的EMI电平最低。因此，采用软开关电源技术，结合合理的元器件布置及合理的印制电路板布线，对开关电源的EMI水平有一定的改善。   
（2）开关频率调制技术
将频率不变的调制改为随机调制，变频调制。固定频率调制脉冲产生的干扰在低频段主要是调制频率的谐波干扰，低频段的干扰主要集中在各谐波点上。由f.lin提出方法[3]基本思想是通过调制开关频率fc，把集中在fc及其谐波2fc，3fc……上的能量分散到它们周围的频带上，以降低各个频点上的emd幅值。该方法不能降低总干扰但能量被分散到频点的基带上，从而达到各个频点都不超过emd规定的限值。
2、 切断耦合通道
为了达到这个目的，主要从选择合适的开关电源电路拓扑；采用正确的接地、屏蔽、滤波措施；设计合理的元器件布局及印制板布线等几个方面考虑。例如，在电源的输入输出端加滤波器能有效的阻断EMI 的耦合通道。在交流电输入端加装电源滤波器，可抑制差模噪声和共模噪声，滤波器应接地，因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。可将滤波器与金属外壳相接或用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低滤波效果越好。滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离，避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。
3、 保护敏感电路
   干扰源和受扰体同时位于同一块电路板上，应尽量将相互关联的元器件摆放在一起以避免因器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰。开关回路面积应尽量减小而控制回路则应避开其辐射范围放置。另外，对于开关电源来说，主要是做好机壳屏蔽，高频变压器屏蔽，开关管和整流二极管的屏蔽。这样通过屏蔽干扰电路来保护敏感电路这也是非常好的方法。

四：开关电源EMI抑制技术：

    除了屏蔽、接地、滤波等常用的EMI抑制技术以外，针对开关电源的特点，一些新技术，如：软开关技术，功率管优化驱动技术、EMI滤波器设计技术和共模干扰有源抑制技术以及前文提及的开关频率调制技术等。然而，不论任何技术，最终都是为了抑制EMI，其根本是认识开关电源EMI问题的本质。开关电源的EMI抑制技术目前还处于起步阶段，在设计新的干扰抑制技术的同时，综合运用已有的方法和技术也不失为一种好的方法。

五：结语：

开关电源EMC设计是一项复杂的课题，应该将设计思想方法与具体技术相结合，在分析开关电源EMI产生的位置、机理、强度等相关因素的基础之上，建立有效的EMI分析设计模型，综合运用各种手段来进行解决。目的是使电源产品满足相应的EMC标准规定的抗扰度极限值要求，在受到一定的电磁骚扰时，无性能的下降或故障；同时还要满足相关EMC标准规定的电磁极限值要求，对电磁环境不构成污染源，而实现电磁兼容。开关电源的EMC设计需受到电源开发工程师的认真对待和足够的重视，必须将这一环节放到产品的设计开发阶段来做，否则付出的代价将是巨大的。