EMI噪聲分析及EMI濾波器的設(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。

這種差模干擾電流會(huì)給負(fù)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(shí)，表現(xiàn)得特別厲害，它會(huì)影響負(fù)載電路中的模擬電路的靈敏度和數(shù)字電路的門限等，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致電路誤觸發(fā)，從而引起整個(gè)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(duì)象。要徹底解決電磁干擾問題，從本質(zhì)上講，就是應(yīng)當(dāng)減小干擾源，只有干擾源的幅值減小了，電磁干擾才會(huì)從根本上得到抑制。而要減小開關(guān)電源的EMI干擾幅值，就要使dV／dt、dI／dt減小，即降低開關(guān)速度。但這種方法會(huì)使開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率降低，所以，對(duì)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(jí)線圈的RC吸收

單端正激開關(guān)電源的輸入電壓為28 V，當(dāng)功率開關(guān)管、高頻變換器工作時(shí)，功率開關(guān)管Ql漏極上的波形如圖7所示，當(dāng)功率開關(guān)管Q1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，高頻變壓器進(jìn)行諧振復(fù)位，此時(shí)它的諧振峰值為100 V。噪聲尖峰瞬時(shí)可達(dá)108 V，這么高的峰值電壓沿著電源輸入線傳導(dǎo)出去，會(huì)引起很強(qiáng)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。

為了降低峰值電壓，可在高頻變壓器初級(jí)線圈回路上并聯(lián)一個(gè)RC吸收網(wǎng)絡(luò)，圖8所示是并聯(lián)RC電路后功率開關(guān)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(luò)可以有效降低諧振峰值，從而大大減小對(duì)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(guān)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(duì)開關(guān)電源造成的干擾。

EMI電源濾波器的電路結(jié)構(gòu)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(dú)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(gè)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(huì)使磁罐達(dá)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(gòu)成L-E和N-E兩個(gè)獨(dú)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(hào)，以使這些共模EMI信號(hào)無法在電源線上進(jìn)行傳導(dǎo)。L3和CX則組成L-N獨(dú)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(hào)。這兩方面結(jié)合起來，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源線上共模EMI信號(hào)和差模EMI信號(hào)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(dǎo)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(duì)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(biāo)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(cuò)誤的安裝方式不但起不到抑制噪聲的作用，有時(shí)還會(huì)適得其反。根據(jù)EMI濾波器的特性以及開關(guān)電源的特點(diǎn)，在安裝EMI濾波器時(shí)，主要需注意兩個(gè)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(guān)電源的外殼地連接在一起，這是因?yàn)镋MI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(jī)殼相連，濾波器的共模濾波電路才會(huì)起作用，這樣也才能將開關(guān)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(dǎo)線將濾波器外殼與機(jī)殼相連，同時(shí)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(yīng)將濾波器的輸入輸出端盡量遠(yuǎn)離，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)

EMI噪聲的極限標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的FCC-Paxt-15、德國(guó)的VDE-087l、IEC的CISPR-Pub22等，軍用標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的MIL-STD-461，我國(guó)的軍用標(biāo)準(zhǔn)有GJBl5lA等。這些標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了系統(tǒng)或整機(jī)中不同頻段的EMI噪聲在電源輸入線上的傳導(dǎo)極限。同時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)也都規(guī)定了應(yīng)該測(cè)量的傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍，具體見表1所列。相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有CISPR-Publ7、GJBl52A等。

電磁電容的測(cè)試主要包含傳導(dǎo)和輻射兩個(gè)大項(xiàng)，而傳導(dǎo)和輻射中又包含發(fā)射度和敏感度兩項(xiàng)，所以，一共擴(kuò)展為傳導(dǎo)發(fā)射度、傳導(dǎo)敏感度、輻射發(fā)射度、輻射敏感度等四個(gè)子項(xiàng)。在GJBl51A-97規(guī)定的有關(guān)開關(guān)電源方面的測(cè)量項(xiàng)目如表2所列。

4 結(jié)束語(yǔ)

如何使整機(jī)通過電磁兼容測(cè)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越關(guān)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(shè)計(jì)和最基礎(chǔ)的原理入手。研究表明，電磁兼容設(shè)計(jì)必須從系統(tǒng)研制的初期(即方案論證階段)開始考慮，并應(yīng)貫穿于研制過程的各個(gè)階段。而且電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有資料表明，若在產(chǎn)品開始研制時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，大約90％的傳導(dǎo)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(guān)的EMI噪聲測(cè)試方法，對(duì)整機(jī)通過電磁兼容測(cè)試是大有裨益的。