關(guān)于反激電源的EMI分析以及抑制技術(shù)的介紹和應(yīng)用

1. 電磁兼容的概述

1.1 電磁兼容的基本概念

電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作，且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力，主要包括兩個方面：電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)。EMI是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降；EMS 是指在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。電磁干擾包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，電磁抗干擾包括傳導(dǎo)抗干擾和輻射抗干擾。

1.2 電磁干擾的影響

圖1：電氣和電子設(shè)備的復(fù)雜電磁環(huán)境

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、通信技術(shù)和高密度數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，高頻、高靈敏度、高集成度和高可靠性的電氣和電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。然而，這些設(shè)備不可避免地以傳導(dǎo)或輻射的方式產(chǎn)生電磁能量或電磁騷擾，影響供電系統(tǒng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，降低用電設(shè)備性能，干擾遠程和數(shù)據(jù)通信，甚至影響航空導(dǎo)航而危及人的生命(如圖1 所示)。為了保證設(shè)備能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，并且避免造成電磁污染，人們對電氣和電子設(shè)備的電磁兼容性提出了嚴(yán)格的要求。

電力電子變換器的主功率器件在開關(guān)過程中會產(chǎn)生很高的電壓和電流變化率，通過導(dǎo)電介質(zhì)和近場耦合等方式在輸入電源線中產(chǎn)生電磁噪聲。這些電磁噪聲不僅污染電網(wǎng)，還影響同一電網(wǎng)中其它設(shè)備的正常工作，由此引起傳導(dǎo)EMI的問題，如圖2 所示。

圖2： 開關(guān)電源中的EMI問題

1.3 電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)

由于電磁干擾會引起敏感設(shè)備或系統(tǒng)的性能降低，影響設(shè)備正常工作或造成損害的現(xiàn)象，因此無線電干擾委員會以及歐洲都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求相關(guān)產(chǎn)品的CISPR14/EN55014給出了家電以及電動工具的EMI限值，CISPR15/EN55015給出了照明類產(chǎn)品的EMI限值，CISPR 22/EN55022給出了信息技術(shù)設(shè)備的EMI限值。圖3給出了定義A類和B類信息技術(shù)設(shè)備傳導(dǎo)EMI的準(zhǔn)峰值和平均值限值。其中，A類設(shè)備是指市場上出售的用于貿(mào)易、工業(yè)或者商業(yè)環(huán)境的設(shè)備，B類設(shè)備是指居住環(huán)境的設(shè)備，同時它們也可以在A類設(shè)備的環(huán)境下使用，B類設(shè)備的傳導(dǎo)EMI限值比A類設(shè)備的限值更嚴(yán)格。

圖3： EN55022 A/B類設(shè)備的傳導(dǎo)EMI限值

2. 開關(guān)電源電源中的電磁干擾分析

圖4： 電磁兼容三要素

電磁噪聲源，耦合路徑和敏感設(shè)備（或接收機）構(gòu)成了電磁兼容的三要素。

2.1 噪聲源

在開關(guān)電源中，噪聲源是功率器件在工作過程中的du/dit，di/dt變化產(chǎn)生的，主要有以下幾種噪聲源：功率MOS，輸出二極管，電感以及變壓器。

2.2 LISN

在分析電磁干擾的耦合路徑之前，先介紹下敏感設(shè)備，在開關(guān)電源中，敏感設(shè)備就是LISN (線性組抗性穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))，如圖5，其主要作用有：

a. 在交流輸入電源和被測試設(shè)備EUT之間提供了良好的高頻信號隔離，避免交流電源中的干擾信號影響測試結(jié)果, 同時阻止開關(guān)電源中的干擾進入到交流電源中；

b. 在傳導(dǎo) EMI 的測試頻率范圍內(nèi)，為EUT 在L 線和N 線中產(chǎn)生的干擾電流提供額定測試阻抗。

圖5： LISN等效電路

2.3 耦合路徑

耦合路徑是指傳輸電磁噪聲的通路或媒介，它包括兩種方式，一種是通過噪聲源和敏感設(shè)備之間的連線構(gòu)成的傳導(dǎo)耦合途徑，另一種是通過空間電磁波輻射構(gòu)成的輻射耦合途徑。

差模干擾是L、N兩 線之間的干擾，在反激電源中，差模干擾由反激電感的紋波電流引起的，因此可將反激電感的電流視為差模干擾電流源，其耦合路徑以及等效電路，見圖6.

圖6： 差模耦合路徑及等效電路

共模干擾是L對地以及N對地的干擾。在反激電源中，共模干擾主要有3個耦合路徑，見圖7。

圖7： 共模耦合路徑及等效電路

3. 開關(guān)電源中EMI抑制技術(shù)

電力電子變換器傳導(dǎo)EMI 的抑制方法主要分為以下幾類：基于噪聲源的抑制方法、基于傳導(dǎo)EMI 路徑的平衡和干擾對消法、以及基于PCB 布線和元件布局優(yōu)化的抑制方法，增加EMI濾波器。

3.1 基于干擾源的傳導(dǎo)EMI抑制

電力電子變換器的開關(guān)管可以被視作傳導(dǎo)EMI 的噪聲源。以噪聲電壓源為梯形波的情況為例，圖9給出了一個開關(guān)周期內(nèi)的噪聲電壓源波形，其中At 為梯形波幅值，Ts 為開關(guān)周期，τw 為電壓上升與下降至At /2 之間的時間，τr 和τf 分別為電壓上升和下降時間，一般可認(rèn)為τr=τf。對該梯形波進行傅里葉分解，圖b給出了梯形波的頻譜包絡(luò)和頻譜的最大邊界。其中，頻譜的最大邊界在頻率低于1/(πτw)時的斜率為0dB/dec，在頻率[1/(πτw), 1/(πτr)]之間的衰減斜率為?20dB/dec，頻率高于1/(πτr)時的衰減斜率為40dB/dec。顯然，增大梯形波的上升和下降時間τr，可以減小頻率高于1/(πτr)時的梯形波諧波幅值。增加驅(qū)動電阻或者增加吸收可以有效減小開關(guān)管的dv/dt 和di/dt，實際上是增大了梯形波的上升和下降時間，從而減小了傳導(dǎo)EMI 的高頻諧波幅值。開關(guān)頻率固定時，傳導(dǎo)EMI的諧波在頻譜中主要分布在開關(guān)頻率及其倍數(shù)次頻率附近。此時，傳導(dǎo)EMI的能量分布比較集中。在不影響變換器主電路工作的情況下，頻率調(diào)制(也稱為抖頻)方法使開關(guān)頻率在一定范圍內(nèi)變化，將原本集中分布于開關(guān)頻率及其倍數(shù)次頻率的傳導(dǎo)EMI 分散至一定頻率范圍，可以改善傳導(dǎo)EMI 的平均值頻譜。

MPS開發(fā)了一系列具有抖頻技術(shù)的開關(guān)電源芯片, 既有控制器，也有集成900V MOS的單芯片變換器，它們都采用抖頻技術(shù)，可以很好的降低EMI噪聲。

圖9： 梯形波以及頻譜的最大邊界包絡(luò)

3.2 基于傳導(dǎo)路徑的抑制技術(shù)

a.散熱器接原邊地，切斷散熱器的耦合路徑

b. 改變變壓器的繞制方式

把變壓器的高頻動點繞制在最內(nèi)段，減小和副邊繞組的耦合電容Cps，從而有效的減小共模噪聲干擾。

c. 采用屏蔽

在原副邊之間增加屏蔽，使得原副邊耦合的距離增加，從而減小原副邊之間的耦合電容Cps，減小共模噪聲干擾。

d. 改變屏蔽繞組的寬度

當(dāng)副邊輸出電壓較高時，在增加屏蔽后，有可能導(dǎo)致，Ip=VpCps

e.平衡對消法

3.3 基于PCB布局的EMI抑制技術(shù)

在PCB布局，需要將高頻環(huán)路盡可能的布小，同時輸入濾波器的回路也盡可能的布小。