開關(guān)電源電磁干擾機(jī)理及新的抑制方法介紹

摘要：開關(guān)電源的電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的性能影響很大，因此，各種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抑制電源設(shè)備電磁干擾的要求已越來(lái)越高。對(duì)開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理做了簡(jiǎn)要的描述，著重總結(jié)了幾種近年提出的新的抑制電磁干擾的方法，并對(duì)其原理、應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁干擾；抑制

Mechanism of Electromagnetic Interference (EMI) in Switching

Power Supply and Several New Suppression Methods

LI Yi, LIN Long-feng, YIN Hua-jie

Abstract:Because the electromagnetic interference (EMI) in the switching power supply has great effects on electronics equipments,the standards and requirements on suppressing EMI in power supply are more and more strict. A brief introduction about the mechanism of EMI in switching power supply is given at first, and then the new EMI suppression methods are overviewed and summarized.

Keywords:Switching power supply; Electromagnetic interference; Suppression

1 引言

隨著電子設(shè)備的大量應(yīng)用，電源在這些設(shè)備中的地位越來(lái)越重要，而開關(guān)變換器由于體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，在電源中占的比重越來(lái)越大。開關(guān)電源大多工作在高頻情況下，在開關(guān)器件的開關(guān)過(guò)程中，寄生元件（如寄生電容、寄生電感等）中能量的高頻變化產(chǎn)生了大量的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。

EMI信號(hào)占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)過(guò)在電路、空間中的傳導(dǎo)和輻射，污染了周圍的電磁環(huán)境，影響了與其它電子設(shè)備的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）性。隨著近年來(lái)各國(guó)對(duì)電子設(shè)備的電磁干擾和電磁兼容性能要求的不斷提高，對(duì)電磁干擾以及新的抑制方法的研究已成為開關(guān)電源研究中的熱點(diǎn)。

本文對(duì)電磁干擾產(chǎn)生、傳播的機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，重點(diǎn)總結(jié)了幾種近年來(lái)提出的抑制開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生及傳播的新方法。

2 電磁干擾的產(chǎn)生和傳播方式

開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。通常傳導(dǎo)干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學(xué)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，對(duì)電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究；但對(duì)輻射干擾而言，由于電路中存在不同干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場(chǎng)理論，分析起來(lái)比較困難。下面將對(duì)這兩種干擾的機(jī)理作一簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 傳導(dǎo)干擾的產(chǎn)生和傳播

傳導(dǎo)干擾可分為共模（Common Mode-CM）干擾和差模（Differential Mode-DM）干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，使得開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。

2.1.1 共模（CM）干擾

變換器工作在高頻情況時(shí)，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關(guān)管出發(fā)流經(jīng)接地散熱片和地線，再由高頻LISN網(wǎng)絡(luò)（由兩個(gè)50Ω電阻等效）流回輸入線路。

圖1 典型開關(guān)變換器中共模、差模干擾的傳播路徑

根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用以下幾種抑制方法：

1）優(yōu)化電路器件布置，盡量減少寄生、耦合電容。

2）延緩開關(guān)的開通、關(guān)斷時(shí)間。但是這與開關(guān)電源高頻化的趨勢(shì)不符。

3）應(yīng)用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。

2.2.2 差模（DM）干擾

開關(guān)變換器中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生差模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

2.2 輻射干擾的產(chǎn)生和傳播

輻射干擾又可分為近場(chǎng)干擾〔測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離λ/6（λ為干擾電磁波波長(zhǎng)）〕和遠(yuǎn)場(chǎng)干擾（測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離>λ/6）。由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可認(rèn)為是天線，可以應(yīng)用電偶極子和磁偶極子理論來(lái)分析。分析時(shí)，二極管、開關(guān)管、電容等可看成電偶極子；電感線圈可以認(rèn)為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場(chǎng)理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

圖2是一個(gè)Boost電路的空間分布圖，把元器件看成電偶極子或磁偶極子，應(yīng)用相關(guān)電磁場(chǎng)理論進(jìn)行分析，可以得出各元器件在空間的輻射電磁干擾，將這些干擾量迭加，就可以得到整個(gè)電路在空間產(chǎn)生的輻射干擾。關(guān)于電偶極子、磁偶極子，可參考相關(guān)的電磁場(chǎng)書籍，此處不再論述。

圖2 Bosst電路在三維空間的分布

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。相位不同一是因?yàn)楦蓴_從干擾源傳播到測(cè)量點(diǎn)存在時(shí)延作用（也稱遲滯效應(yīng)）；再一個(gè)原因是元器件本身的特性導(dǎo)致相位不同。如電感中電流相位比其它元器件要滯后。遲滯效應(yīng)引起的相位滯后是信號(hào)頻率作用的結(jié)果，僅在頻率很高時(shí)作用才較明顯（如GHz級(jí)或更高）；對(duì)于功率電子器件而言，頻率相對(duì)較低，故遲滯效應(yīng)作用不是很大。

3 幾種新的電磁干擾抑制方法

在開關(guān)電源產(chǎn)生的兩類干擾中，傳導(dǎo)干擾由于經(jīng)電網(wǎng)傳播，會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，往往引起更嚴(yán)重的問(wèn)題。常用的抑制方法有：緩沖器法，減少耦合路徑法，減少寄生元件法等。近年來(lái)，隨著對(duì)電子設(shè)備電磁干擾的限制越來(lái)越嚴(yán)格，又出現(xiàn)了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無(wú)源緩沖電路的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。下面分別予以介紹。

3.1 新的控制方法—調(diào)制頻率控制

干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關(guān)頻率點(diǎn)上，所以很難滿足抑制EMI的要求。通過(guò)將開關(guān)信號(hào)的能量調(diào)制分布在一個(gè)很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而更容易達(dá)到EMI的標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制頻率（Modulated Frequency）控制就是根據(jù)這種原理實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源電磁干擾的抑制。

最初人們采用隨機(jī)頻率（Randomized Frequency）控制[1]，其主要思想是，在控制電路中加入一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)間隔進(jìn)行不規(guī)則變化，則開關(guān)噪聲頻譜由原來(lái)離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲，其 峰 值 大 大 下 降 。 具 體 辦 法 是 ， 由 脈 沖 發(fā) 生 器 產(chǎn) 生 兩 種 不 同 占 空 比 的 脈 沖 ， 再 與 電 壓 誤 差 放 大 器 產(chǎn) 生 的 誤 差 信 號(hào) 進(jìn) 行 采 樣 選 擇 產(chǎn) 生 最 終 的 控 制 信 號(hào) 。 其 具 體 的 控 制 波 形 如 圖3(a)所 示 。

(a) 隨機(jī)頻率控制原理波形圖