EMI噪聲分析及EMI濾波器的設計

0 引言

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

然而，當人們盡情享用開關電源所帶來的輕、薄、小和高效率等種種便利之時，同時也帶來了噪聲干擾的種種危害。特別是開關電源在向更小體積、更高頻率、更大功率的方向發(fā)展，其dV／dt、dI／dt所帶來的EMI噪聲也將會更大。它的傳導噪聲、輻射噪聲會波及整機的安全，有時會干擾一些CPU的指令，引起系統(tǒng)的誤操作，嚴重時還會引起系統(tǒng)的顛覆性破壞。為此，我們在使用開關電源時，要密切關注開關電源的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

開關電源的電路拓撲結(jié)構很多，按功率開關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。在中小功率開關電源模塊中，使用較多的電路拓撲結(jié)構為推挽式、單端正激式、單端反激式等。典型的單端正激式開關電源電路框圖如圖1所示，它由功率開關管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，可由PWM控制單元送出脈寬可變的脈沖信號來驅(qū)動開關管Ql，當開關管Q1導通時，再通過高頻變壓器將輸入端的直流能量傳到次級，開關管Ql截止時，高頻變壓器進行磁復位。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直流，這個脈動直流經(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。

在功率開關管Q1的高頻開關切換過程中，流過功率開關管和高頻變壓器的脈沖會產(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，或通過開關電源的輸出線傳到負載上，從而對其它系統(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)，也就是在開關頻率的基波和若干次諧波的頻段內(nèi)，干擾噪聲的幅值遠遠超過了GJBl51A所規(guī)定的范圍，因而會造成系統(tǒng)傳導噪聲等電磁兼容指標超標。

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)構的表面貼裝開關電源模塊為例來進行分析。

1．1 共模干擾電流

金屬封裝結(jié)構表面貼裝開關電源模塊的整個電路元器件全部都裝配在基片上。PWM控制片、功率開關管、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、運放、基準源、MOSFET開關管、整流二極管)等通過焊料(如導電膠、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。

在初級回路中，功率開關管芯片、PWM控制芯片、運算放大器芯片、電源正負輸入線的走線軌跡等都會與外殼底板之間產(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在底板上所占據(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電流等共同影響下，就會引起噪聲電流。這些噪聲電流對于輸入電源線的正負之間、以及輸出負載線的正負之間大小相等，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。

1．2 初級差模干擾電流

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

這種差模干擾電流IDIFF經(jīng)輸入電源線流向公共供電端，特別是當輸入濾波電容Ci濾波不足時，對輸入電源線的干擾很大，它還會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降低。

1．3 次級差模干擾電流

次級差模干擾電流示意圖如圖6所示。在開關電源的次級回路中，高頻變壓器副邊繞組Ls和整流二極管V2負責將輸入的能量傳給負載。輸出濾波電感L、輸出濾波電容Co對高頻部分進行濾波。整流二極管V2的作用是將次級繞組的脈沖波整流成直流。脈沖波為高電平時，整流二極管導通，此時將能量傳給負載，脈沖波為低電平時截止，輸出電流通過V3進行續(xù)流。當整流二極管V2由導通變?yōu)榻刂箷r，由于二極管的載流子移動會產(chǎn)生很大的反向恢復電流，這個反向恢復電流會沿著輸出濾波電感和輸出濾波電容傳播到負載回路中。所以，沿著輸出線傳播的EMI噪聲電流包含有兩個部分，一部分是正常傳送能量時所攜帶的開關基頻與諧波的干擾電流，另一部分是二極管反向恢復電流所引起的干擾電流。這個沿著輸出線正負端傳播的噪聲電流是差模干擾電流IDIFF。

這種差模干擾電流會給負載電路帶來非常不利的影響，特別是輸出濾波電容濾波不足時，表現(xiàn)得特別厲害，它會影響負載電路中的模擬電路的靈敏度和數(shù)字電路的門限等，嚴重時，還會導致電路誤觸發(fā)，從而引起整個系統(tǒng)的工作不正常。

2 EMI噪聲抑制及濾波

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾途徑、干擾對象。要徹底解決電磁干擾問題，從本質(zhì)上講，就是應當減小干擾源，只有干擾源的幅值減小了，電磁干擾才會從根本上得到抑制。而要減小開關電源的EMI干擾幅值，就要使dV／dt、dI／dt減小，即降低開關速度。但這種方法會使開關電源的轉(zhuǎn)換效率降低，所以，對于這種解決方法，要綜合考慮各方面的因素之后才能采用。

2．1 高頻變壓器初級線圈的RC吸收

單端正激開關電源的輸入電壓為28 V，當功率開關管、高頻變換器工作時，功率開關管Ql漏極上的波形如圖7所示，當功率開關管Q1由導通變?yōu)榻刂箷r，高頻變壓器進行諧振復位，此時它的諧振峰值為100 V。噪聲尖峰瞬時可達108 V，這么高的峰值電壓沿著電源輸入線傳導出去，會引起很強的傳導干擾和輻射干擾。

為了降低峰值電壓，可在高頻變壓器初級線圈回路上并聯(lián)一個RC吸收網(wǎng)絡，圖8所示是并聯(lián)RC電路后功率開關管Ql的漏極波形，圖中，其諧振峰值為60 V，噪聲尖峰只有66 V?？梢姡⒙?lián)RC吸收網(wǎng)絡可以有效降低諧振峰值，從而大大減小對電源端的EMI干擾。

2．2 加裝EMI濾波器

加裝EMI電源濾波器是抑制EMI噪聲最好的方法之一。在電源輸入端加裝EMI電源濾波器可以獲得雙重效果，它既可以抑制開關電源產(chǎn)生的EMI干擾傳向電源端，亦可抑制來自電源端的EMI噪聲對開關電源造成的干擾。

EMI電源濾波器的電路結(jié)構如圖9所示，該電路由共模濾波電路和差模濾波電路組成。其中Ll和L2是繞在同一磁芯上的兩只獨立線圈，稱為共模線圈，其所繞線的圈數(shù)相同，線圈繞向相反。這樣。EMI濾波器接入電路后，兩個線圈內(nèi)差模電流產(chǎn)生的磁通在磁罐內(nèi)將互相抵消，因而不會使磁罐達到磁飽和，因此，兩只線圈的電感值能保持不變。其中，L1和CY1，L2和CY2分別構成L-E和N-E兩個獨立端口間的低通濾波器，可以抑制電源線上存在的共模EMI信號，以使這些共模EMI信號無法在電源線上進行傳導。L3和CX則組成L-N獨立端口間的低通濾波器，可用來抑制電源線上的差模EMI信號。這兩方面結(jié)合起來，就可實現(xiàn)對電源線上共模EMI信號和差模EMI信號的抑制。

共模電感Ll和L2一般在幾mH至幾十mH，共模電容Cy要在滿足電路要求的條件下盡量取較大值，以便獲得更好的濾波效果。差模電感一般在幾十μH至幾百μH，差模電容Cx要選擇耐壓足夠高的陶瓷電容器。共模電感的磁性材料以高導磁率軟磁材料效果較好，差模電感的磁性材料以具有高飽和磁通密度的金屬鐵粉芯效果較好，最好不要用開口鐵氧體材料。

加裝EMI電源濾波器后，電源線上的噪聲頻譜如圖10所示。和圖2相比較，加裝EMI濾波器對EMI噪聲的抑制十分明顯，在所有的頻段內(nèi)，噪聲均得到了抑制，而且全部符合軍標要求。

2．3 EMI電源濾波器的安裝

加裝EMI電源濾波器一定要注意正確的安裝方式，錯誤的安裝方式不但起不到抑制噪聲的作用，有時還會適得其反。根據(jù)EMI濾波器的特性以及開關電源的特點，在安裝EMI濾波器時，主要需注意兩個方面的問題。第一，EMI電源濾波器的外殼必須接地，而且必須和開關電源的外殼地連接在一起，這是因為EMI電源濾波器的共模濾波電容都連接在產(chǎn)品的外殼上，只有EMI電源濾波器的外殼與機殼相連，濾波器的共模濾波電路才會起作用，這樣也才能將開關電源產(chǎn)生的共模干擾電流濾除干凈，而且還要用較粗的導線將濾波器外殼與機殼相連，同時接地阻抗越低，濾波效果越好；第二，EMI電源濾波器必須安裝在電源的入口端，且應將濾波器的輸入輸出端盡量遠離，同時要避免輸入輸出線繞過濾波器而產(chǎn)生交叉干擾。

3 EMI噪聲標準

EMI噪聲的極限標準有美國的FCC-Paxt-15、德國的VDE-087l、IEC的CISPR-Pub22等，軍用標準有美國的MIL-STD-461，我國的軍用標準有GJBl5lA等。這些標準都規(guī)定了系統(tǒng)或整機中不同頻段的EMI噪聲在電源輸入線上的傳導極限。同時，各標準也都規(guī)定了應該測量的傳導噪聲的頻率范圍，具體見表1所列。相應的測試標準有CISPR-Publ7、GJBl52A等。

電磁電容的測試主要包含傳導和輻射兩個大項，而傳導和輻射中又包含發(fā)射度和敏感度兩項，所以，一共擴展為傳導發(fā)射度、傳導敏感度、輻射發(fā)射度、輻射敏感度等四個子項。在GJBl51A-97規(guī)定的有關開關電源方面的測量項目如表2所列。

4 結(jié)束語

如何使整機通過電磁兼容測試是系統(tǒng)設計人員越來越關心的事情。要全面、系統(tǒng)的解決電磁兼容問題，就必須從最初的設計和最基礎的原理入手。研究表明，電磁兼容設計必須從系統(tǒng)研制的初期(即方案論證階段)開始考慮，并應貫穿于研制過程的各個階段。而且電磁兼容設計是實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容的關鍵環(huán)節(jié)。有資料表明，若在產(chǎn)品開始研制時進行電磁兼容設計，大約90％的傳導和輻射干擾都可得到控制，由此可見，從EMI噪聲的產(chǎn)生開始分析，從中找到抑制EMI噪聲的方法，并孰知有關的EMI噪聲測試方法，對整機通過電磁兼容測試是大有裨益的。