EMI噪聲分析與EMI濾波器設(shè)計(jì)

0 引言

開關(guān)電源作為一種通用電源，以其輕、薄、小和高效率等特點(diǎn)為人們所熟知，是各種電子設(shè)備小型化和低成本化不可缺少的一種電源方式，已成為當(dāng)今的主流電源。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍也必將日益擴(kuò)大，需求量也會(huì)與日俱增。

然而，當(dāng)人們盡情享用開關(guān)電源所帶來的輕、薄、小和高效率等種種便利之時(shí)，同時(shí)也帶來了噪聲干擾的種種危害。特別是開關(guān)電源在向更小體積、更高頻率、更大功率的方向發(fā)展，其dV/dt、dI/dt所帶來的EMI噪聲也將會(huì)更大。它的傳導(dǎo)噪聲、輻射噪聲會(huì)波及整機(jī)的安全，有時(shí)會(huì)干擾一些CPU的指令，引起系統(tǒng)的誤操作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)的顛覆性破壞。為此，我們?cè)谑褂瞄_關(guān)電源時(shí)，要密切關(guān)注開關(guān)電源的EMI噪聲所帶來的危害，采取積極的防范措施來降低EMI噪聲，把EMI噪聲的影響降到最低。

1 EMI噪聲電流

開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，按功率開關(guān)管與高頻變壓器的組合工作方式可分為全橋、半橋、推挽、單端正激、單端反激等模式。在中小功率開關(guān)電源模塊中，使用較多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為推挽式、單端正激式、單端反激式等。典型的單端正激式開關(guān)電源電路框圖如圖1所示，它由功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器T、整流二極管Dl、續(xù)流二極管D2、輸出濾波電感L、輸出濾波電容C等組成。工作時(shí)，可由PWM控制單元送出脈寬可變的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Ql，當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，再通過高頻變壓器將輸入端的直流能量傳到次級(jí)，開關(guān)管Ql截止時(shí)，高頻變壓器進(jìn)行磁復(fù)位。通過高頻變壓器傳來的高頻脈沖經(jīng)整流二極管整流成單一方向的脈動(dòng)直流，這個(gè)脈動(dòng)直流經(jīng)輸出濾波電感和濾波電容濾波后，即可送出所需要的直流電壓。

在功率開關(guān)管Q1的高頻開關(guān)切換過程中，流過功率開關(guān)管和高頻變壓器的脈沖會(huì)產(chǎn)生紛雜的諧波電壓及諧波電流。這些諧波電壓及諧波電流產(chǎn)生的噪聲可通過電源輸入線傳到公共供電端，或通過開關(guān)電源的輸出線傳到負(fù)載上，從而對(duì)其它系統(tǒng)或敏感元器件造成干擾。這些噪聲在電源線上傳導(dǎo)的噪聲頻譜圖如圖2所示，從圖中可以看出，在幾百kHz到50 MHz的頻段內(nèi)，也就是在開關(guān)頻率的基波和若干次諧波的頻段內(nèi)，干擾噪聲的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了GJBl51A所規(guī)定的范圍，因而會(huì)造成系統(tǒng)傳導(dǎo)噪聲等電磁兼容指標(biāo)超標(biāo)。

那么這些噪聲是怎樣形成的，它又是怎樣傳播的呢?下面以中小功率金屬封裝結(jié)構(gòu)的表面貼裝開關(guān)電源模塊為例來進(jìn)行分析。

1.1 共模干擾電流

金屬封裝結(jié)構(gòu)表面貼裝開關(guān)電源模塊的整個(gè)電路元器件全部都裝配在基片上。PWM控制片、功率開關(guān)管、整流二極管等有源器件全部采用表面貼裝封裝元件。輸入輸出的電壓電流由引線送出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

管殼的底板是氧化鋁基片的載體，氧化鋁基片的正面是布線區(qū)和元器件的組裝區(qū)，背面用厚膜漿料進(jìn)行金屬化，然后通過焊料(如焊錫等)與管殼的金屬底板相連。氧化鋁基片的介電常數(shù)為8，厚度通常在0.5～1.0 mm范圍內(nèi)。在氧化鋁基片正面的組裝區(qū)，表面貼裝元件(如PWM控制片、運(yùn)放、基準(zhǔn)源、MOSFET開關(guān)管、整流二極管)等通過焊料(如導(dǎo)電膠、再流焊的焊錫等)與布線區(qū)的焊盤相連。這樣的連接方式雖然構(gòu)成了電路回路，但也給電路帶來了新的寄生電容Cp。這些寄生電容的分布如圖4所示。

在初級(jí)回路中，功率開關(guān)管芯片、PWM控制芯片、運(yùn)算放大器芯片、電源正負(fù)輸入線的走線軌跡等都會(huì)與外殼底板之間產(chǎn)生寄生電容Cp，寄生電容的容量大小取決于基片的厚度和它們?cè)诘装迳纤紦?jù)的面積。這樣，在電路中，這些元器件及其走線與外殼底板之間就形成了分布電容Cp1、Cp2、……、Cp6等。這些分布電容在dV/dt、dI/dt及整流二極管反向恢復(fù)電流等共同影響下，就會(huì)引起噪聲電流。這些噪聲電流對(duì)于輸入電源線的正負(fù)之間、以及輸出負(fù)載線的正負(fù)之間大小相等，相位相同，稱之為共模噪聲電流。共模噪聲電流的大小與分布電容的大小、dV/dt、dI/dt等有關(guān)。

1.2 初級(jí)差模干擾電流

圖5所示是初級(jí)差模干擾電流示意圖。在初級(jí)回路中，功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器原邊繞組Lp與輸入濾波電容Ci構(gòu)成了開關(guān)電源的輸入直流變換回路，這個(gè)變換回路在正常工作時(shí)，會(huì)將輸入的直流能量通過高頻變壓器傳給次級(jí)。但在功率開關(guān)管Q1開關(guān)時(shí)，高頻脈沖的上升和下降所引起的基波及諧波會(huì)沿著輸入濾波電容Ci傳向輸入供電端，這種沿著輸入電源線正負(fù)端傳播的噪聲電流稱之為初級(jí)差模干擾電流IDIFF。

這種差模干擾電流IDIFF經(jīng)輸入電源線流向公共供電端，特別是當(dāng)輸入濾波電容Ci濾波不足時(shí)，對(duì)輸入電源線的干擾很大，它還會(huì)通過公共的供電端干擾系統(tǒng)的其它部分，從而使其它部分的性能指標(biāo)降低。

1.3 次級(jí)差模干擾電流

次級(jí)差模干擾電流示意圖如圖6所示。在開關(guān)電源的次級(jí)回路中，高頻變壓器副邊繞組Ls和整流二極管V2負(fù)責(zé)將輸入的能量傳給負(fù)載。輸出濾波電感L、輸出濾波電容Co對(duì)高頻部分進(jìn)行濾波。整流二極管V2的作用是將次級(jí)繞組的脈沖波整流成直流。脈沖波為高電平時(shí)，整流二極管導(dǎo)通，此時(shí)將能量傳給負(fù)載，脈沖波為低電平時(shí)截止，輸出電流通過V3進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)整流二極管V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于二極管的載流子移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流，這個(gè)反向恢復(fù)電流會(huì)沿著輸出濾波電感和輸出濾波電容傳播到負(fù)載回路中。所以，沿著輸出線傳播的EMI噪聲電流包含有兩個(gè)部分，一部分是正常傳送能量時(shí)所攜帶的開關(guān)基頻與諧波的干擾電流，另一部分是二極管反向恢復(fù)電流所引起的干擾電流。這個(gè)沿著輸出線正負(fù)端傳播的噪聲電流是差模干擾電流IDIFF。