工程师该如何解决开关电源的 EMI 问题?

时间:2017-12-27 15:52来源:ZLG致远电子

摘要:在设计或应用时如何攻克电源的EMI难题呢?

随着微电子技术的高速发展,实际应用对开关电源提出更苛刻的技术要求,不仅讲究高效率、高功率密度,且为保证模块及整体系统的可靠性,会要求电磁干扰尽可能小。那么在设计或应用时如何攻克电源的 EMI 难题呢?

现今开关电源的控制方式采用脉冲宽度调制技术(PWM),当工作在高频通断状态时,开关管、整流二极管、变压器等高动态功率器件在快速瞬变过程中,产生较强的谐波干扰噪声和尖峰干扰噪声,并通过输入输出线、分布电容的传导、空间辐射、串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统设备的正常工作。

一、电磁干扰 (EMI) 的综述
1、电磁干扰 (EMI) 危害
在电子终端设备系统应用中,电磁干扰(EMI)对系统的危害是显而易见的,主要有如下三个:

 影响电子终端设备性能,甚至导致其不能正常工作;
 由于电磁噪声的干扰,导致电气、电子设备的器件高压击穿、烧毁,可能引起周围易燃易爆物的起火、爆炸,带来巨大的经济损失和人身伤亡;
 电磁波能量会对人的身体造成一定的危害,危及人的身体健康。

2、电磁干扰产生的源头
对于高频开关电源的设计来说,有各种各样的电路拓扑形式,但它们核心噪声源的产生原因是相同的:即,瞬态变化大电流和高电压,产生高次谐波干扰和尖峰干扰。因此高动态功率器件都是电磁干扰(EMI) 噪声的源头。

3、电磁干扰 (EMI) 要素
开关电源电磁干扰(Electro Magnetic Interference,简称 EMI)产生的条件和传播途径如图 1所示:骚扰源、骚扰路径、敏感设备。传导骚扰路径主要通过共阻抗耦合、容性耦合、感性耦合,测试频段在 150K~30MHz 之间;以空间途径辐射为主的噪声是辐射骚扰干扰,即电磁场能量以场的形式向四周空间传播,测试频段在 30M~300MHz 之间。

 
图 1 电磁干扰三大要素图
 
4、测定噪声的标准
电磁兼容 (EMC) 的标准一般由国内外权威机构、政府,甚至由军事部门组织定制的一系列的电磁兼容可靠性标准,其强制要求确保电子设备和各单元电路符合电磁兼容 (EMC) 的标准,目前国内外电磁兼容 (EMC) 标准主要有欧洲无线电干扰委员会的 CISPR Pubxxx,德国的 VDE xxx 和美国的 FCC Part xxx 标准,以及我国定制的 EMI 标准 GB9254 xxxx 完全等效采用 CISPR Pubxxx 的标准。一般来说,只要满足 CISPR Pubxxx B 级的电源设备与电子设备时不会相互影响。表 1为 CISPR Pubxxx B 级标准。
 
表 1  CISPR Pubxxx B 级标准
 

表 1所示,015~30MHz 频率的噪声为传导干扰噪声,一般以公共地线、电源线、分布电容等途径传播; 30MHz~300MHz 频率的噪声源,一般以空间传播的方式对外干扰传播,这种噪声叫做辐射噪声。

二、电磁干扰 (EMI) 的解决途径
1、噪声源头的分布
开关电源是一个强电磁干扰源,如图 2所示:

 开关管 Q1、整流二极管 D2 在高频开关状态时,会产生较幅度大、频带宽的瞬态电流和瞬态电压 ;
 存在漏感的高频变压器 T1 的初级线圈是开关管 Q1 的感性负载,使得开关管 Q1 高频通断瞬间,产生较大的浪涌电流和衰减振荡的尖峰电压;
 特别在高频开关电源中,杂散参数的分布是耦合通道主要途径,特别是电路中存在的分布电容;
 在 PCB 制板时,因 PCB 板布局和走线不合理而产生的高次谐波干扰回路;
 低频特性的器件如果工作在高频状态下时,其性能会发生改变,也是噪声产生的原因之一。
 
图 2 噪声源的分布图

这些干扰噪声源的频率从几百 KHz 到 几十 MHz,甚至上百 MHz,都是宽频带的噪声信号源,在设计输入电磁干扰抑制滤波器时,必须对高次谐波噪声源产生的原理有充分的认识和了解。

2、传导干扰抑制措施
图 2所示传导干扰一般分为:差模干扰 (DM) 和共模干扰 (CM)。差模干扰指的是干扰电压存在于输入线及其地回线、输出线及其地回线之间噪声。共模干扰指的是干扰电压在输入、输出线及其地回线上的幅度相同的噪声,参考电位一般以大地为主。

1) 电源输入 EMI 滤波器
 
 
图 3 输入 EMI 滤波电路图

图 3是典型的输入 EMI 抑制电路。当电网受到雷击时,产生高压经输入线导入开关电源设备时,由 FS1、ZNR1、RTH1 组成防雷浪涌电路进行保护。

R1、R2、C2、C4、LF1、LF2 组成的 π 型滤波电路,是输入滤波电路,主要是对电网串入的电磁噪声进行抑制,防止对开关电源干扰,同时也抑制开关电源内部产生的高频噪声干扰电网,绿化电网的电磁污染。

电容 C1、C3、C5 为 Y 电容,选择主要考虑漏电流,容值越大 EMI 效果越好,但是漏电流就越大,存在安规不符合的风险。

电感 LF1、LF2 为共模扼流圈,主要针对共模噪声,一般选用高磁导率、取 mH 级别感值;差模干扰主要通过X电容 C2、C4 滤除,一般不添加差模电感,因为容易饱和。

2) 开关管与整流二极管的噪声抑制措施
开关电源在工作过程中,由于开关管、整流二极管存在结电容,在快速开关的时会产生尖峰,通过耦合通道传递或发射出来。另外开关管的结电容和变压器初级绕组的漏感可能产生谐振而产生干扰信号。因此可采用的对策有:

 在开关管 D 极和 G 极穿接一个磁珠环,减小开关管的电流变化率,从而达到减小尖峰电压的目的;
 在开关管栅源间加 RC 缓冲吸收电路,从而减小开关管在快速通断时产生的尖峰电压;
 减小开关管与周边组件的压差,那么开关管的结电容可充电的程度会得到一定的降低;
 增大开关管的 G 极驱动电阻。如图 4 所示。
 
 
图 4 用于尖峰电压吸收的几种电路

3) 高频变压器噪声抑制措施
高频变压器是开关电源的储能组件,在能量的充放过程中,会产生噪声干扰。特别是高频变压器的漏感和分布电容形成的振荡回路,产生高频振荡并且向外辐射电磁波能量,造成电磁干扰。对此可采用的对策有:

 变压器初次级间加屏蔽,并且铜箔要接地,将初次级的干扰噪声隔离,分布电容、接地铜箔构成共模干扰噪声的回路,使其不能传入次级端,起到电磁屏蔽的作用;
 降低开关电源的工作频率,减缓能量的快速充放过程;
 在制作变压器,采用三明治绕法,减小其漏感和匝间电容,降低电压尖峰,减小寄生振荡,起到减小干扰的作用。

3、辐射干扰抑制措施
开关电源工作时会向空间辐射干扰:

 辐射噪声的幅值与辐射源的距离成反比,若空间结构经凑,无法拉开距离时,则采用屏蔽技术;
 由于电源输入线容易通过电网引入噪声,而且输入线与高频变压器连接,产生高频动态的电流产生电磁场,会耦合到输出线上,对供电对象设备产生电磁干扰,所以输入线与输出线必须尽量远离;
 有动态大电流流过的导线在PCB布局时尽量的短、尽量的粗,远离低频信号线;
 高功率、高频通断工作的器件,在接地时应以最短、尽量粗的引线与电容的地连接;
 动态大电流环是辐射的感性耦合途径之一,环路面积应尽量小。

三、结论
开关电源的是否稳定可靠是整个电气设备系统的技术核心要求,特别是电磁干扰的滤波电路设计是否符合要求,决定着电气设备系统的稳定性、可靠性。在设计开关电源的 EMI 滤波电路时,应该综合考虑高功率器件噪声的抑制、PCB 结构的布局、高频变压器的设计、接地等等,尽可能使其符合国内外电磁干扰噪声的测定标准,使设计出来的开关电源产品在市场上能得到更加广泛的应用,产生价值。

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