高頻開關(guān)變換器中emi產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法

高頻開關(guān)變換器中EMI產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法1前言開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，廣泛用于通信、自動(dòng)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中。但是，其缺點(diǎn)是開關(guān)電源在高頻條件下工作，產(chǎn)生非常強(qiáng)的電磁干擾fElectromagneticInterference，EMI），經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染周圍電磁環(huán)境，對電子設(shè)備造成影響。本文從開關(guān)電源的電路構(gòu)造、器件進(jìn)展分析，討論了電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法。2開關(guān)電源電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機(jī)理開關(guān)電源的電磁干擾，按耦合途徑來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。按噪聲干擾源可分為兩大類：一類是外部噪聲，例如通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模干擾、外部電磁輻射對開關(guān)電源控制電路的干擾等；另一類是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁干擾，如開關(guān)管、整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧涉及電磁輻射干擾。其中外部噪聲產(chǎn)生的影響可以通過電源濾波器進(jìn)展衰減，本文不做討論，僅討論開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲。常規(guī)交流輸入的開關(guān)電源主要構(gòu)造可以分為四大部分，其框圖如圖1所示。其中輸入與整流濾波部分、高頻逆變部分、輸出整流與濾波部分是產(chǎn)生電磁干擾的主要來源。以下將通過對各部分電壓、電流波形的分析，說明電磁噪聲產(chǎn)生的原因。2.1工頻整流器引起的電磁噪聲一般開關(guān)電源為容式濾波，在輸入與整流濾波部分電磁噪聲主要是由整流過程中造成的電流尖峰、電壓波動(dòng)所引起的。正弦波電源經(jīng)過電源濾波器進(jìn)展差模、共模信號(hào)衰減后，由整流橋整流、電解電容濾波，得到的電壓作為高頻逆變部分的輸入電壓。由于濾波電容的存在，使整流器不象純整流那樣一組開通半個(gè)周期，而是只在正弦電壓高于電容電壓時(shí)才導(dǎo)通，造成電流波形非常陡峭，同時(shí)電壓波形變得平緩。電流、電壓的波形如圖2所示?；仃?duì)槌流器通這的電流波形存上的電瑋■波形根據(jù)Fourier級數(shù)，圖中的電流、電壓波形可分解為直流分量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦交流分量之和。通過電磁場理論以及試驗(yàn)結(jié)果說明，諧波（特別是高次諧波）會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾，在空間產(chǎn)生電場、磁場向外輻射產(chǎn)生的干擾稱之為輻射干擾。2.2變壓器與開關(guān)管引起的電磁噪聲逆變部分是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓的調(diào)整，主要有開關(guān)管和高頻變壓器組成。電磁噪聲主要是由于變壓器的漏感、分布電容以及開關(guān)管的開通、關(guān)斷造成。開關(guān)電源中的高頻變壓器用作隔離和變壓，變壓器在理論分析時(shí)，通常認(rèn)為是理想變壓器，但是在實(shí)際應(yīng)用中變壓器存在漏感，而且在高頻的情況下，還要考慮變壓器層間的分布電容。高頻變壓器的等效電路模型如圖3所示。從圖中可以看到變壓器層間的分布電容使開關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。而且假設(shè)電容濾波容量缺乏或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式通過變壓器的寄生電容傳到交流電源中。開關(guān)電源的體積、重量減小的根本原因是使功率半導(dǎo)體器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，但導(dǎo)致的結(jié)果是產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的電磁干擾。其原因是在工作過程中產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，以及變壓器漏感，電路寄生電感與開關(guān)管寄生電容之間的高頻震蕩。開關(guān)電源中的電壓波形大多為接近矩形的周期波，比方開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源電壓波形等。頻率高，一般在kHz以上，上升、下降時(shí)間短，dv/dt大，而且通過傅里葉展開以后，包含的諧波頻率非常高，很容易污染周圍的電磁環(huán)境。開關(guān)管〔比方MOSFET）在開通關(guān)斷時(shí)，也會(huì)造成很強(qiáng)的電磁干擾。由于變壓器初級線圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒有從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，漏感中儲(chǔ)存能量，關(guān)斷瞬間電流發(fā)生突變，di/dt非常高，產(chǎn)生反電動(dòng)勢。由電磁場理論可知：E=-Ldi/dt。其值與電流的變化成正比，與電感成正比。因此漏感會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)生傳導(dǎo)性電磁干擾。漏感與開關(guān)管之間的寄生電容還會(huì)發(fā)生震蕩，影響電路中的電磁環(huán)境，產(chǎn)生噪聲。開關(guān)管開通時(shí)，寄生電容瞬間放電，產(chǎn)生尖峰電流，初級線圈也會(huì)造成浪涌電流的產(chǎn)生，影響電磁環(huán)境。2.3輸出整流二極管反向恢復(fù)造成的電磁噪聲二極管承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向電流，反向恢復(fù)電流脈沖的幅度、脈沖寬度和形狀與二極管本身的特性及電路參數(shù)有關(guān)，而且恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。高頻整流二極管由于反向恢復(fù)電流脈沖的幅度和di/dt都很大，它們在引線電感和與其相連接的電路中都會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，從而造成很強(qiáng)寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。二極管反向恢復(fù)過程電壓、電流波形如圖4所示。在高頻開關(guān)電源、高頻DC/DC諧振變換器以及功率因數(shù)校正電路等重復(fù)開關(guān)頻率較高的變流器電路中，都要用到快恢復(fù)二極管。它們的反向恢復(fù)時(shí)間通常在納秒量級，因此通過引線電感造成的瞬態(tài)電磁噪聲是不可無視的。特別是在反激式開關(guān)電源中，二極管反向恢復(fù)電流尖峰還有可能從次級傳到初級，在開關(guān)開通時(shí)，形成一個(gè)電流尖峰，不僅容易燒毀開關(guān)管，還造成電磁噪聲。3開關(guān)電源電磁干擾（EMI）的抑制措施形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因此，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的藕合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是進(jìn)步受擾設(shè)備的抗擾才能，降低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施根本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的藕合通道，常用的方法是屏蔽、接地和濾波。在理論中證明這些都是行之有效的方法。本文通過介紹一種可行性技術(shù)從電路上改進(jìn)，直接控制干擾源。

軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用大大進(jìn)步了電源的效率，在節(jié)能方面做出了宏大的奉獻(xiàn)。但在一些電路拓?fù)錁?gòu)造中，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還大大降低了電磁干擾，準(zhǔn)諧振反激式變換器就是最好的一個(gè)實(shí)例，電路構(gòu)造如圖5所示。圖目催i皆振反激式變拱器主電跆弟柄相對于一般的反激式變換器，準(zhǔn)諧振只在原來電路根底上加了一個(gè)無源器件電容器，不會(huì)在電路中產(chǎn)生多余的電磁噪聲。通過改變控制方式，利用變壓器初級電感與電容器之間發(fā)生諧振，在開關(guān)管電壓波形出現(xiàn)波谷處開通；關(guān)斷時(shí)利用電容器進(jìn)展緩沖，可以大大降低開關(guān)管上的關(guān)斷電壓尖峰和開通電流尖峰，從而降低電磁干擾。利用安森美的NCP1207制作的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源，其開關(guān)管上的電壓波形如圖6所示：圈白非面1匯領(lǐng)入■滸滿戴輸出時(shí)JF「按清源“溯程電床波形從圖中可以看出開關(guān)管在開通時(shí)，電壓非常低，有利于降低電流尖峰，關(guān)斷時(shí)，電壓尖峰小，從而電磁干擾降低。4結(jié)論隨著開關(guān)電源的不斷高頻化，其電磁干擾問題越發(fā)顯得重要。在開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源中，如何有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾，同時(shí)進(jìn)步開關(guān)電源本身對電磁干擾的抗干擾才能〔即EMC）是一個(gè)重要課題。因此，抑制開關(guān)電源電磁干擾還有大量的工作要做，需要全體工程技術(shù)人員不懈的努力。PWM與PFM的比較脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式〔PWM〕開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反響調(diào)整其占空比，從而到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。PFM：〔Pulsefrequencymodulation）脈沖頻率調(diào)制一種脈沖調(diào)制技術(shù)，調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化，其占空比不變。由于調(diào)制信號(hào)通常為頻率變化的方波信號(hào)，因此，PFM也叫做方波FMPWM是頻率的寬和窄的變化,PFM是頻率的有和無的變化，PWM是利用波脈沖寬度控制輸出,PFM是利用脈沖的有無控制輸出.其中PWM是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點(diǎn)是噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電形式，如今市場上有多款性能好、價(jià)格低的PWM集成芯片，如UCl842/2842/3842、TDAl6846、TL494、SGl525/2525/3525等；PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它沒有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點(diǎn)。DC/DC變換器是通過與內(nèi)部頻率同步開關(guān)進(jìn)展升壓或降壓，通過變化開關(guān)次數(shù)進(jìn)展控制，從而得到與設(shè)定電壓一樣的輸出電壓。PFM控制時(shí)，當(dāng)輸出電壓到達(dá)在設(shè)定電壓以上時(shí)即會(huì)停頓開關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，DC/DC變換器不會(huì)進(jìn)展任何操作。但假設(shè)輸出電壓下降到設(shè)定電壓以下，DC/DC變換器會(huì)再次開始開關(guān)，使輸出電壓到達(dá)設(shè)定電壓。PWM控制也是與頻率同步進(jìn)展開關(guān)，但是它會(huì)在到達(dá)升壓設(shè)定值時(shí)，盡量減少流入線圈的電流，調(diào)整升壓使其與設(shè)定電壓保持一致。與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在到達(dá)設(shè)定電壓以上時(shí)就會(huì)停頓動(dòng)作，所以消耗的電流就會(huì)變得很小。因此，消耗電流的減少可改進(jìn)低負(fù)荷時(shí)的效率°PWM在低負(fù)荷時(shí)雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計(jì)比較容易，消除噪聲也較簡單。假設(shè)需同時(shí)具備PFM與PWM的優(yōu)點(diǎn)的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時(shí)具備PWM的優(yōu)點(diǎn)與PFM的優(yōu)點(diǎn)。在備有待機(jī)形式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。就DC-DC變換器而言目前業(yè)界PFM只有SinglePhase，且以RippleMode的形式來實(shí)現(xiàn)，故需求輸出端的Ripple較大。沒有負(fù)向電感電流，故可進(jìn)步輕載效率。由于是看輸出Ripple，所以Transient很好，在做Dynamic的時(shí)候沒有under-shoot。PWM有SinglePhase&Multi-phase，多以VoltageModeorCurrentMode來實(shí)現(xiàn)，對輸出Ripple沒有要求，輕載時(shí)存在電感負(fù)向電流，故輕載效率較差，Compensation較Ripple相比較慢。將PWM于PFM結(jié)合使用，當(dāng)偵測到電感負(fù)電流的時(shí)候，變出現(xiàn)PulseSkipping，而不再受內(nèi)部Clock控制。此時(shí)，controllerwillturnoffbothh-mos&l-mos，Coss&L會(huì)出現(xiàn)阻尼振蕩。每位工程師接觸的領(lǐng)域不一樣，可能有的領(lǐng)域是用PFM比較多，有的是用PWM比較多，但從整個(gè)電源行業(yè)來說，相信目前還是PWM用的多.上世紀(jì)80年代至今，PWM開始了在電源變換領(lǐng)域的王朝統(tǒng)治"地位,因?yàn)槊糠N方式都有缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn).關(guān)鍵還是看是否適宜客戶需要吧在論壇看到一位網(wǎng)友是這樣寫的，我覺得寫的比較形象，他說假設(shè)把PFM與PWM的電源用車來比較的話，用PFM的=奔馳，用PWM的=群眾。PFM相比較PWM主要優(yōu)點(diǎn)在于效率1、對于外圍電路一樣的PFM和PWM而言，其峰值效率PFM與PWM相當(dāng),但在峰值效率以前