一種新型功率變換器的電磁干擾分析及抑制

前言：

電源是一種功率變換系統(tǒng),它對于一切電子設備都是必不可少的組成部分，作為系統(tǒng)能量之源，其輸出電壓電流的質(zhì)量對其所在電子設備的穩(wěn)定性、可靠性及電磁兼容性（EMC）都起到了全局性和決定性的影響！開關電源（SMPS）已在大多數(shù)電子設備中得到廣泛應用，但電源自身產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號卻形成了嚴重的電磁干擾，這些干擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，構(gòu)成了一個強電磁干擾（EMI）源，對電子設備的正常運行構(gòu)成嚴重的威脅。而相對的是復雜的電磁環(huán)境卻要求電子設備具有更高的電磁兼容性，電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設備共存而不引起性能的下降。電磁兼容問題已成為各領域乃至各國政府越來越關心的問題！因此，只有解決開關電源的電磁兼容性問題，才能保證其輸出精度、效率及穩(wěn)定性，保證其符合EMC法規(guī)指標并為其所在電子系統(tǒng)提供安全、精良、可靠的能源。本文首先結(jié)合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開關電源的整體EMI情況包括干擾源、耦合路徑以及敏感電路進行了確定和分析，并同時闡述了開關電源EMI產(chǎn)生的機理，在此基礎上提出了開關電源EMC設計的實現(xiàn)以及在EMC設計過程中應著重處理的技術環(huán)節(jié)，最后提出并總結(jié)了解決開關電源電磁兼容問題的方法和思路和開關電源EMI抑制技術。

圖1：SMPS的基本組成

一：SMPS的基本構(gòu)成：

如圖1所示，交流電經(jīng)整流橋進入電源的核心部分--用以進行功率轉(zhuǎn)換的DC/DC變換器，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路，這些電路可統(tǒng)稱為控制電路。輸出采樣電路（R1、R2）檢測輸出電壓變化，并與基準電壓Uf比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

二：開關電源EMI的分析：

開關電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其內(nèi)部電磁兼容問題也比較復雜，包括主電路和控制電路各自及其之間的EMC問題、主電路的EMI和控制電路的電磁敏感性（EMS）問題、主電路與電網(wǎng)、主電路與負載、電力電子設備之間的EMC問題等，其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。開關電源的EMI特點比較明顯，其電壓、電流變化率很高，電源線路內(nèi)的dv/dt、di/dt較大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它雜散噪聲，同時向外輻射強電場和強磁場；干擾的主要形式為傳導干擾和近場干擾；干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線電流嚴重；PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預估的難度較大?，F(xiàn)結(jié)合SMPS結(jié)構(gòu)（圖1）及并聯(lián)諧振倍壓變換器（圖2）為例介紹開關電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機理。

圖2：某DC/DC功率變換器EMI示意圖

1、輸入整流回路的噪聲：
如圖2中一次整流回路所示，基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因為正弦波電源通過由D1～D4組成的整流器B后變成單向脈動電流已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實驗表明，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。
2、開關回路的噪聲：
變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關管Q1、Q2和高頻變壓器T組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：
（1）開關功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感，在開關管關斷的瞬間，變壓器T初級出現(xiàn)很大的浪涌電流，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關管。
（2）由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾：當原來導通的開關管關斷時，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢：E=－Ldi/dt ，其值與集電極的電流變化率（di/dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導向配電系統(tǒng)，影響其它用電設備的安全和經(jīng)濟運行。
3、輸出整流回路的噪聲：
如圖2中二級整流回路，是由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾。圖2中在輸出整流二極管D6、D7截止時，有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結(jié)電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。
4、非主回路噪聲：
非主回路既是主回路以外的電路包括輸入輸出控制回路等，一般指圖1中除輸入及DC/DC變換器以外的部分，其中PWM部分的脈沖控制信號是主要的噪聲源。輸入回路易受電網(wǎng)的影響，而輸出回路易受負載的影響，也都容易將噪聲耦合到開關電源內(nèi)部。
5、各種元器件及回路的寄生分布參數(shù)引起的噪聲：
如圖3中所示，在EMI的頻率范圍內(nèi)，常用的無源器件都不能再被認為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴重影響著它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，例如：漏感，原付邊之間的分布電容等，都必須加以考慮。圖4中，一是Co的作用。散熱片k與開關管Q的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Co在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Co流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線de中，以產(chǎn)生共模輻射。二是C12的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C12，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。