高頻開關(guān)電源中EMI產(chǎn)生的機理及其抑制方法

　　1 前言

　　開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等特點，廣泛用于通信、自動控制、家用電器、計算機等電子設(shè)備中。但是，其缺點是開關(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)傳導和輻射會污染周圍電磁環(huán)境，對電子設(shè)備造成影響。本文從開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)、器件進行分析，探討了電磁干擾產(chǎn)生的機理及其抑制方法。

　　2 開關(guān)電源電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機理

　　開關(guān)電源的電磁干擾，按耦合途徑來分，可分為傳導干擾和輻射干擾。按噪聲干擾源可分為兩大類：一類是外部噪聲，例如通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模干擾、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)生的電磁干擾，如開關(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)生的影響可以通過電源濾波器進行衰減，本文不做討論，僅討論開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲。

　　常規(guī)交流輸入的開關(guān)電源主要結(jié)構(gòu)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關(guān)電源結(jié)構(gòu)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源。以下將通過對各部分電壓、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程中造成的電流尖峰、電壓波動所引起的。正弦波電源經(jīng)過電源濾波器進行差模、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通半個周期，而是只在正弦電壓高于電容電壓時才導通，造成電流波形非常陡峭，同時電壓波形變得平緩。電流、電壓的波形如圖2所示。

　　圖2 整流器通過的電流波形及電容上的電壓波形

　　根據(jù)Fourier級數(shù)，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(shù)倍的正弦交流分量之和。通過電磁場理論以及試驗結(jié)果表明，諧波（特別是高次諧波）會產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾。通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾，在空間產(chǎn)生電場、磁場向外輻射產(chǎn)生的干擾稱之為輻射干擾。

　　2.2 變壓器與開關(guān)管引起的電磁噪聲

　　逆變部分是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓的調(diào)整，主要有開關(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、分布電容以及開關(guān)管的開通、關(guān)斷造成。開關(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，通常認為是理想變壓器，但是在實際應(yīng)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使高頻電流以差模方式通過變壓器的寄生電容傳到交流電源中。

　　開關(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關(guān)狀態(tài)，但導致的結(jié)果是產(chǎn)生了非常嚴重的電磁干擾。其原因是在工作過程中產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，以及變壓器漏感，電路寄生電感與開關(guān)管寄生電容之間的高頻震蕩。開關(guān)電源中的電壓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漏源電壓波形等。頻率高，一般在kHz以上，上升、下降時間短，dv/dt大，而且通過傅里葉展開以后，包含的諧波頻率非常高，很容易污染周圍的電磁環(huán)境。

　　開關(guān)管（比如MOSFET ）在開通關(guān)斷時，也會造成很強的電磁干擾。由于變壓器初級線圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒有從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，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)生反電動勢。由電磁場理論可知：E=-Ldi/dt。

　　其值與電流的變化成正比，與電感成正比。因此漏感會產(chǎn)生非常高的反電動勢疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生傳導性電磁干擾。漏感與開關(guān)管之間的寄生電容還會發(fā)生震蕩，影響電路中的電磁環(huán)境，產(chǎn)生噪聲。開關(guān)管開通時，寄生電容瞬間放電，產(chǎn)生尖峰電流，初級線圈也會造成浪涌電流的產(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，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個反向電流，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(shù)有關(guān)，而且恢復到零點的時間與結(jié)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，它們在引線電感和與其相連接的電路中都會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，從而造成很強寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。二極管反向恢復過程電壓、電流波形如圖4所示。

　　圖4 二極管反向恢復過程電壓、電流波形

　　在高頻開關(guān)電源、高頻DC/DC諧振變換器以及功率因數(shù)校正電路等重復開關(guān)頻率較高的變流器電路中，都要用到快恢復二極管。它們的反向恢復時間通常在納秒量級，因此通過引線電感造成的瞬態(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，在開關(guān)開通時，形成一個電流尖峰，不僅容易燒毀開關(guān)管，還造成電磁噪聲。