淺析開關(guān)電源EMI控制技術(shù)

　　文中詳細(xì)地分析了開關(guān)電源EMI的產(chǎn)生機(jī)理，提出了一系列的EMI抑制策略，從而有效地提高開關(guān)電源的電磁兼容性。

　　開關(guān)電源是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件并綜合電力變換技術(shù)、電子電磁技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的電力電子產(chǎn)品。因其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、安全可靠以及穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電子儀器、工業(yè)自動(dòng)控制、國(guó)防及家用電器等領(lǐng)域。但是開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差、易產(chǎn)生電磁干擾（EMD，且EMI信號(hào)占有很寬的頻率范圍，并具有一定的幅度。這些EMI信號(hào)經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射方式污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾，因而在一定程度上限制了開關(guān)電源的使用。

　　1 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的原因

　　電磁干擾 （EMI，Electromagneticlnterference）是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動(dòng)造成的性能損害。它由三個(gè)基本要素組成： 干擾源，即產(chǎn)生電磁干擾能量的設(shè)備;藕合途徑，即傳輸電磁干擾的通路或媒介;敏感設(shè)備，即受電磁干擾而被損害的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)?；诖?，控制電磁干擾的基本措施就是：抑制干擾源、切斷禍合途徑及降低敏感設(shè)備對(duì)干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。

　　根據(jù)開關(guān)電源工作原理知：開關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，再逆變?yōu)楦哳l交流電，最后經(jīng)過整流濾波輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。在電路中，功率三極管、二極管主要工作在開關(guān)管狀態(tài)，且工作在微秒量級(jí);三極管、二極管在開一閉翻轉(zhuǎn)過程中，在上升、下降時(shí)間內(nèi)電流變化大、易產(chǎn)生射頻能量，形成干擾源。同時(shí)，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，也會(huì)形成潛在的電磁干擾。

　　開關(guān)電源通常工作在高頻狀態(tài)，頻率在02 kHz以上，因而其分布電容不可忽略。一方面散熱片與開關(guān)管的集電極間的絕緣片，由于其接觸面積較大，絕緣片較薄，因此，兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模千擾;另一方面脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，可將初級(jí)繞組電壓直接禍合到次級(jí)繞組上，在次級(jí)繞組作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

　　因此 ， 開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大，如開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等元件，以及交流輸人、整流輸出電路部分。

　　2 抑制開關(guān)電源電磁干擾的措施

　　通常開關(guān)電源EMI控制主要采用濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封技術(shù)、接地技術(shù)等。EMI干擾按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。開關(guān)電源主要是傳導(dǎo)干擾，且頻率范圍最寬，約為10kHz一30MHz。抑制傳導(dǎo)干擾的對(duì)策基本上10kHz一150kHz、150kHz一10MHz、10MHz以上三個(gè)頻段來解決。10kHz一150kHz范圍內(nèi)主要是常態(tài)干擾，一般采用通用LC濾波器來解決。150kHz一10 MHz范圍內(nèi)主要是共模干擾，通常采用共模抑制濾波器來解決。10MHz以上頻段的對(duì)策是改進(jìn)濾波器的外形以及采取電磁屏蔽措施。

　　2.1 采用交流輸入EMI濾波器

　　通常干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間，主要是由du/dt產(chǎn)生的，di/dt也產(chǎn)生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以共模方式出現(xiàn)，也可以差模方式出現(xiàn);但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾。

　　交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小;共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖 1所示，其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯上的線圈組成。如果兩個(gè)線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會(huì)很小，在電源線頻率范圍內(nèi)差

　　模電抗將會(huì)變得很小;當(dāng)負(fù)載電流流過共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在相線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在中線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒Ｒ虼思词乖诖筘?fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。這里共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。

　　圖 1 電 源 線 濾 波 器 基 本 電路 圖

　　2.2 利用吸收回路改善開關(guān)波形

　　開關(guān) 管 或 二極管在開通和關(guān)斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，容易在開關(guān)管集電極、發(fā)射極兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。通常情況下采用RC/RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。

　　圖2 RCD浪涌電壓吸收回路

　　當(dāng)吸收回路上的電壓超過一定幅度時(shí)，各器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關(guān)管集電極和輸出二極管的正極引線上串接可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷（Co），當(dāng)通過正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢(shì)，這樣就能有效地抑制二極管VD的反向浪涌電流。

　　2.3 利用開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

　　頻率控制技術(shù)是基于開關(guān)干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達(dá)到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。

　　隨機(jī)頻率法是在電路開關(guān)間隔中加人一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關(guān)干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續(xù)分布干擾，其峰值大大下降。

　　調(diào)制頻率法是在鋸齒波中加人調(diào)制波（白噪聲），在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開成一個(gè)分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關(guān)斷時(shí)的干擾。

　　2.4采用軟開關(guān)技術(shù)

　　開關(guān)電源的干擾之一是來自功率開關(guān)管通/斷時(shí)的du/dt，因此，減小功率開關(guān)管通/斷的du/dt是抑制開關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。而軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通/斷的du/dt。

　　如果 在 開 關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)很小的電感、電容等諧振元件就構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)。在開關(guān)過程前后引人諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和干擾，這種電路稱為軟開關(guān)電路。

　　根據(jù)上述原理可以采用兩種方法，即在開關(guān)關(guān)斷前使其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷;或在開關(guān)開通前使其電壓為零，則開關(guān)開通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)，基本電路如圖3和圖4所示。

　　圖3 零電壓開關(guān)諧振電路

　　圖 4 零 電 流 開 關(guān) 諧 振 電 路

　　通常采用軟開關(guān)電路控制技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術(shù)，對(duì)開關(guān)電源的EMI干擾具有一定的改善作用。

　　2.5 采用電磁屏蔽措施

　　一般采用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。開關(guān)電源的屏蔽措施主要是針對(duì)開關(guān)管和高頻變壓器而言。開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，需要給它裝散熱片，從而使開關(guān)管的集電極與散熱片間產(chǎn)生較大的分布電容。因此，在開關(guān)管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層，并且散熱片接機(jī)殼地，金屬層接到熱端零電位，減小集電極與散熱片間藕合電容，從而減小散熱片產(chǎn)生的輻射干擾。針對(duì)高頻變壓器，首先應(yīng)根據(jù)導(dǎo)磁體屏蔽性質(zhì)來選擇導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)，如用罐型鐵芯和 El型鐵芯，則導(dǎo)磁體的屏蔽效果很好。變壓器外加屏蔽時(shí)，屏蔽盒不應(yīng)緊貼在變壓器外面，應(yīng)留有一定的氣隙。如采用有氣隙的多層屏蔽物時(shí)，所得的屏蔽效果會(huì)更好。另外，在高頻變壓器中，常常需要消除初、次級(jí)線圈間的分布電容，可沿著線圈的全長(zhǎng)，在線圈間墊上銅箔制成的開路帶環(huán)，以減小它們之間的禍合，這個(gè)開路帶環(huán)既與變壓器的鐵芯連接，又與電源的地連接，起到靜電屏蔽作用。如果條件允許，對(duì)整個(gè)開關(guān)電源加裝屏蔽罩，那樣就會(huì)更好地抑制輻射干擾。

　　3 結(jié)束語

　　隨著開關(guān)電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控制問題成為開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。由上述分析可知，采用EMI濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封技術(shù)及接地技術(shù)等，可以有效地抑制、消除干擾源及受擾設(shè)備之間的禍合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑，從而提高開關(guān)電源的電磁兼容性。