开关电源设计中如何减小EMI

先简单介绍一下下EMI:

  EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备,都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。

  电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作,会干扰通信数据的正常传递,虽然对人体的伤害尚无定论,但是普遍认为对人体不利。

  所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然电源也不例外的,所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。

  下面结合一些专家的文献来描述EMI.

  首先EMI 有三个基本面

  就是

  噪音源:发射干扰的源头。 耦合途径:传播干扰的载体。 接收器:被干扰的对象。

  缺少一样,电磁干扰就不成立了。所以,降低电磁干扰的危害,也有三种办法:

  1. 从源头抑制干扰。

  2.切断传播途径

  3.增强抵抗力,这个就是所谓的EMC(电磁兼容)

  先解释几个名词:

  传导干扰:也就是噪音通过导线传递的方式。

  辐射干扰:也就是噪音通过空间辐射的方式传递。

  差模干扰:由于电路中的自身电势差,电流所产成的干扰,比如火线和零线,正极和负极。

  共模干扰:由于电路和大地之间的电势差,电流所产生的干扰。

  通常我们去实验室测试的项目:

  传导发射:测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。

  辐射发射:测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。

  传导抗扰:在具有传导干扰的环境中,你的电源能否正常工作。

  辐射抗扰:在具有辐射干扰的环境中,你的电源能否正常工作。

  首先来看,噪音的源头:

  任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法,分解为各种频率的正弦波。

  所以在测试干扰的时候,需要测试各种频率下的噪音强度。

  那么在开关电源中,这些噪音的来源是什么呢?

  开关电源中,由于开关器件在周期性的开合,所以,电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压,就是噪音的真正源头。

  那么有人可能会问,我的开关频率是100KHz的,但是为什么测试出来的噪音,从几百K到几百M都有呢?

  我们把同等有效值,同等频率的各种波形做快速傅立叶分析:

  蓝色: 正弦波

  绿色: 三角波

  红色: 方波

  可以看到,正弦波只有基波分量,但是三角波和方波含有高次谐波,谐波最大的是方波。

  也就是说如果电流或者电压波形,是非正弦波的信号,都能分解出高次谐波。

  那么如果同样的方波,但是上升下降时间不同,会怎样呢。

  同样是100KHz的方波

  红色:上升下降时间都为100ns

  绿色:上升下降时间都为500ns

  可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。

  我们继续分析下面两种波形,

  A: 有严重高频震荡的方波, 比如MOS,二极管上的电压波形。

  B:用吸收电路,把方波的高频振荡吸收一下。

  分别做快速傅立叶分析:

再来看,那么这些干扰如何传递到接收器的?又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢?

  先来看差模的概念,差模电流很容易理解,如下图,

  差模电流在输入的火线和零线(或者正线到负线)之间形成回路,用基尔霍夫定理可以很容易理解,两条线上的电流完全相等。

  而这个差模电流除了包含电网频率(或者直流)的低频分量之外,还有开关频率的高频电流,如果开关频率的电流不是正弦的,那么必然还有其谐波电流。

  现在以最简单的,具有PFC功能的DCM 反激电源为例子,(如上图)

  其输入线上的电流如下:

  如将其放大:

  可以看到电流波形为,众多三角波组成,但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析,可以得到:

  可以看到,除了100Khz开关频率的基波之外,还有丰富的谐波。继续分析到更高频率,可以看到:

  如果不加处理,光差模电流就可以让传导超标。

  那么如何,来阻挡这些高频电流呢?最简单有效的,就是加输入滤波器。

  例子1,在输入端加一个RC滤波器:

  在对输入电流做傅立叶分析:

  可以看到高频谐波明显下降

  如果加LC滤波器:

  对输入电流做分析:

  可以看到滤泡效果更好,但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。

  而实际 电路中,由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振,但是也会偶尔发生。

  如果在传导测试中发现低频段,有非开关频率倍频的地方超标,可以考虑是否滤波器谐振。

.下面的波形,一个是具有导通尖峰的电流波形,一个没有导通尖峰。

  对两个波形做傅立叶分析:

  可以看到红色波形的高次谐波,要大于绿色波形。

  继续对两个波形,作分析

  红色: 固定频率的信号

  绿色:具有稍微频率抖动的信号


  可以看到,频率抖动,可以降低低频段能量。进一步,放大低频段的频谱能量:

  可以看到,频率抖动就是把频谱能量分散了,而固定频率的频谱能量,集中在基波的谐波频率点,所以峰值比较高,容易超标。

  最后稍微总结一下,如果从源头来抑制EMI。

  1.对于开关频率的选择,比如传导测试150K-30M,那么在条件容许的情况下,可选择130K之类的开关频率,这样基波频率可以避开测试。

  2.采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量,对低频段的EMI有好处。

  3.适当降低开关速度,降低开关速度,可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。

  4.采用软开关技术,比如PSFB,AHB之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术,可以让一些波形变成正弦波,进一步降低EMI。

  5.对一些振荡尖峰做吸收,这些管子上的振荡,往往频率很高,会发射很大的EMI.

  6.采用反向恢复好的二极管,二极管的反向恢复电流,不但会带来高di/dt.还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt.

  下面来看一下传播途径,这个是poon & Pong 两位教授总结的。

  传播途径,比较的直观

  我们先来看传导途径:

  传导干扰的传递都是通过电线来传递的,测试的时候,使测试通过电线传导出来得干扰大小。

 


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