開關電源電磁干擾（EMI）機理及新的抑制方法

摘要：開關電源的電磁干擾對電子設備的性能影響很大，因此，各種標準對抑制電源設備電磁干擾的要求已越來越高。對開關電源中電磁干擾的產(chǎn)生機理做了簡要的描述，著重總結了幾種近年提出的新的抑制電磁干擾的方法，并對其原理、應用做了簡單介紹。

關鍵詞：開關電源；電磁干擾；抑制

Mechanism of Electromagnetic Interference (EMI) in Switching

Power Supply and Several New Suppression Methods

LI Yi, LIN Long-feng, YIN Hua-jie

Abstract:Because the electromagnetic interference (EMI) in the switching power supply has great effects on electronics equipments,the standards and requirements on suppressing EMI in power supply are more and more strict. A brief introduction about the mechanism of EMI in switching power supply is given at first, and then the new EMI suppression methods are overviewed and summarized.

Keywords:Switching power supply; Electromagnetic interference; Suppression

1 引言

隨著電子設備的大量應用，電源在這些設備中的地位越來越重要，而開關變換器由于體積小、重量輕、效率高等特點，在電源中占的比重越來越大。開關電源大多工作在高頻情況下，在開關器件的開關過程中，寄生元件（如寄生電容、寄生電感等）中能量的高頻變化產(chǎn)生了大量的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。

EMI信號占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)過在電路、空間中的傳導和輻射，污染了周圍的電磁環(huán)境，影響了與其它電子設備的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）性。隨著近年來各國對電子設備的電磁干擾和電磁兼容性能要求的不斷提高，對電磁干擾以及新的抑制方法的研究已成為開關電源研究中的熱點。

本文對電磁干擾產(chǎn)生、傳播的機理進行了簡要的介紹，重點總結了幾種近年來提出的抑制開關電源電磁干擾產(chǎn)生及傳播的新方法。

2 電磁干擾的產(chǎn)生和傳播方式

開關電源中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學知識結合起來，對電磁干擾中各種元器件的特性進行研究；但對輻射干擾而言，由于電路中存在不同干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場理論，分析起來比較困難。下面將對這兩種干擾的機理作一簡要的介紹。

2.1 傳導干擾的產(chǎn)生和傳播

傳導干擾可分為共模（Common Mode-CM）干擾和差模（Differential Mode-DM）干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關電源中開關器件的高頻開通與關斷，使得開關電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。

2.1.1 共模（CM）干擾

變換器工作在高頻情況時，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開關管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關管出發(fā)流經(jīng)接地散熱片和地線，再由高頻LISN網(wǎng)絡（由兩個50Ω電阻等效）流回輸入線路。

圖1 典型開關變換器中共模、差模干擾的傳播路徑

根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實際應用時常采用以下幾種抑制方法：

1）優(yōu)化電路器件布置，盡量減少寄生、耦合電容。

2）延緩開關的開通、關斷時間。但是這與開關電源高頻化的趨勢不符。

3）應用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。

2.2.2 差模（DM）干擾

開關變換器中的電流在高頻情況下作開關變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應了干擾電壓。這時就會產(chǎn)生差模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

2.2 輻射干擾的產(chǎn)生和傳播

輻射干擾又可分為近場干擾〔測量點與場源距離λ/6（λ為干擾電磁波波長）〕和遠場干擾（測量點與場源距離>λ/6）。由麥克斯韋電磁場理論可知，導體中變化的電流會在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可認為是天線，可以應用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時，二極管、開關管、電容等可看成電偶極子；電感線圈可以認為是磁偶極子，再以相關的電磁場理論進行綜合分析就可以了。

圖2是一個Boost電路的空間分布圖，把元器件看成電偶極子或磁偶極子，應用相關電磁場理論進行分析，可以得出各元器件在空間的輻射電磁干擾，將這些干擾量迭加，就可以得到整個電路在空間產(chǎn)生的輻射干擾。關于電偶極子、磁偶極子，可參考相關的電磁場書籍，此處不再論述。

圖2 Bosst電路在三維空間的分布

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場計算時這一點尤其重要。相位不同一是因為干擾從干擾源傳播到測量點存在時延作用（也稱遲滯效應）；再一個原因是元器件本身的特性導致相位不同。如電感中電流相位比其它元器件要滯后。遲滯效應引起的相位滯后是信號頻率作用的結果，僅在頻率很高時作用才較明顯（如GHz級或更高）；對于功率電子器件而言，頻率相對較低，故遲滯效應作用不是很大。

3 幾種新的電磁干擾抑制方法

在開關電源產(chǎn)生的兩類干擾中，傳導干擾由于經(jīng)電網(wǎng)傳播，會對其它電子設備產(chǎn)生嚴重的干擾，往往引起更嚴重的問題。常用的抑制方法有：緩沖器法，減少耦合路徑法，減少寄生元件法等。近年來，隨著對電子設備電磁干擾的限制越來越嚴格，又出現(xiàn)了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無源緩沖電路的設計等幾個方面。下面分別予以介紹。

3.1 新的控制方法—調(diào)制頻率控制

干擾是根據(jù)開關頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關頻率點上，所以很難滿足抑制EMI的要求。通過將開關信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而更容易達到EMI的標準。調(diào)制頻率（Modulated Frequency）控制就是根據(jù)這種原理實現(xiàn)對開關電源電磁干擾的抑制。

最初人們采用隨機頻率（Randomized Frequency）控制[1]，其主要思想是，在控制電路中加入一個隨機擾動分量，使開關間隔進行不規(guī)則變化，則開關噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲，其 峰 值 大 大 下 降 。 具 體 辦 法 是 ， 由 脈 沖 發(fā) 生 器 產(chǎn) 生 兩 種 不 同 占 空 比 的 脈 沖 ， 再 與 電 壓 誤 差 放 大 器 產(chǎn) 生 的 誤 差 信 號 進 行 采 樣 選 擇 產(chǎn) 生 最 終 的 控 制 信 號 。 其 具 體 的 控 制 波 形 如 圖3(a)所 示 。

(a) 隨機頻率控制原理波形圖