EMI噪聲分析與EMI濾波器設(shè)計

0 引言

開關(guān)電源作為一種通用電源，以其輕、薄、小和高效率等特點為人們所熟知，是各種電子設(shè)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。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍也必將日益擴大，需求量也會與日俱增。

然而，當人們盡情享用開關(guān)電源所帶來的輕、薄、小和高效率等種種便利之時，同時也帶來了噪聲干擾的種種危害。特別是開關(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所帶來的EMI噪聲也將會更大。它的傳導噪聲、輻射噪聲會波及整機的安全，有時會干擾一些CPU的指令，引起系統(tǒng)的誤操作，嚴重時還會引起系統(tǒng)的顛覆性破壞。為此，我們在使用開關(guān)電源時，要密切關(guān)注開關(guān)電源的EMI噪聲所帶來的危害，采取積極的防范措施來降低EMI噪聲，把EMI噪聲的影響降到最低。

1 EMI噪聲電流

開關(guān)電源的電路拓撲結(jié)構(gòu)很多，按功率開關(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。在中小功率開關(guān)電源模塊中，使用較多的電路拓撲結(jié)構(gòu)為推挽式、單端正激式、單端反激式等。典型的單端正激式開關(guān)電源電路框圖如圖1所示，它由功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器T、整流二極管Dl、續(xù)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，可由PWM控制單元送出脈寬可變的脈沖信號來驅(qū)動開關(guān)管Ql，當開關(guān)管Q1導通時，再通過高頻變壓器將輸入端的直流能量傳到次級，開關(guān)管Ql截止時，高頻變壓器進行磁復(fù)位。通過高頻變壓器傳來的高頻脈沖經(jīng)整流二極管整流成單一方向的脈動直流，這個脈動直流經(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。

在功率開關(guān)管Q1的高頻開關(guān)切換過程中，流過功率開關(guān)管和高頻變壓器的脈沖會產(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)生的噪聲可通過電源輸入線傳到公共供電端，或通過開關(guān)電源的輸出線傳到負載上，從而對其它系統(tǒng)或敏感元器件造成干擾。這些噪聲在電源線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(nèi)，也就是在開關(guān)頻率的基波和若干次諧波的頻段內(nèi)，干擾噪聲的幅值遠遠超過了GJBl51A所規(guī)定的范圍，因而會造成系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的表面貼裝開關(guān)電源模塊為例來進行分析。

1.1 共模干擾電流

金屬封裝結(jié)構(gòu)表面貼裝開關(guān)電源模塊的整個電路元器件全部都裝配在基片上。PWM控制片、功率開關(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送出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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區(qū)和元器件的組裝區(qū)，背面用厚膜漿料進行金屬化，然后通過焊料(如焊錫等)與管殼的金屬底板相連。氧化鋁基片的介電常數(shù)為8，厚度通常在0.5～1.0 mm范圍內(nèi)。在氧化鋁基片正面的組裝區(qū)，表面貼裝元件(如PWM控制片、運放、基準源、MOSFET開關(guān)管、整流二極管)等通過焊料(如導電膠、再流焊的焊錫等)與布線區(qū)的焊盤相連。這樣的連接方式雖然構(gòu)成了電路回路，但也給電路帶來了新的寄生電容Cp。這些寄生電容的分布如圖4所示。

在初級回路中，功率開關(guān)管芯片、PWM控制芯片、運算放大器芯片、電源正負輸入線的走線軌跡等都會與外殼底板之間產(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(jù)的面積。這樣，在電路中，這些元器件及其走線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(fù)電流等共同影響下，就會引起噪聲電流。這些噪聲電流對于輸入電源線的正負之間、以及輸出負載線的正負之間大小相等，相位相同，稱之為共模噪聲電流。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，功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器原邊繞組Lp與輸入濾波電容Ci構(gòu)成了開關(guān)電源的輸入直流變換回路，這個變換回路在正常工作時，會將輸入的直流能量通過高頻變壓器傳給次級。但在功率開關(guān)管Q1開關(guān)時，高頻脈沖的上升和下降所引起的基波及諧波會沿著輸入濾波電容Ci傳向輸入供電端，這種沿著輸入電源線正負端傳播的噪聲電流稱之為初級差模干擾電流IDIFF。

這種差模干擾電流IDIFF經(jīng)輸入電源線流向公共供電端，特別是當輸入濾波電容Ci濾波不足時，對輸入電源線的干擾很大，它還會通過公共的供電端干擾系統(tǒng)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，整流二極管導通，此時將能量傳給負載，脈沖波為低電平時截止，輸出電流通過V3進行續(xù)流。當整流二極管V2由導通變?yōu)榻刂箷r，由于二極管的載流子移動會產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流，這個反向恢復(fù)電流會沿著輸出濾波電感和輸出濾波電容傳播到負載回路中。所以，沿著輸出線傳播的EMI噪聲電流包含有兩個部分，一部分是正常傳送能量時所攜帶的開關(guān)基頻與諧波的干擾電流，另一部分是二極管反向恢復(fù)電流所引起的干擾電流。這個沿著輸出線正負端傳播的噪聲電流是差模干擾電流IDIFF。