关于反激电源的EMI分析以及抑制技术的介绍和应用

1. 电磁兼容的概述  

1.1   电磁兼容的基本概念

电磁兼容(EMC)是指设备或系统在电磁环境中能够正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，主要包括两个方面：电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)。EMI是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降；EMS 是指在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。电磁干扰包括传导干扰和辐射干扰，电磁抗干扰包括传导抗干扰和辐射抗干扰。

1.2  电磁干扰的影响

图1：电气和电子设备的复杂电磁环境

随着现代电力电子技术、通信技术和高密度数据传输技术的发展，高频、高灵敏度、高集成度和高可靠性的电气和电子设备的应用越来越广泛。然而，这些设备不可避免地以传导或辐射的方式产生电磁能量或电磁骚扰，影响供电系统和电网的稳定运行，降低用电设备性能，干扰远程和数据通信，甚至影响航空导航而危及人的生命(如图1 所示)。为了保证设备能够在复杂的电磁环境中正常工作，并且避免造成电磁污染，人们对电气和电子设备的电磁兼容性提出了严格的要求。

电力电子变换器的主功率器件在开关过程中会产生很高的电压和电流变化率，通过导电介质和近场耦合等方式在输入电源线中产生电磁噪声。这些电磁噪声不仅污染电网，还影响同一电网中其它设备的正常工作，由此引起传导EMI的问题，如图2 所示。

 图2： 开关电源中的EMI问题  

1.3   电磁干扰的标准

由于电磁干扰会引起敏感设备或系统的性能降低，影响设备正常工作或造成损害的现象，因此无线电干扰委员会以及欧洲都制定了相关标准，要求相关产品的CISPR14/EN55014给出了家电以及电动工具的EMI限值，CISPR15/EN55015给出了照明类产品的EMI限值，CISPR 22/EN55022给出了信息技术设备的EMI限值。图3给出了定义A类和B类信息技术设备传导EMI的准峰值和平均值限值。其中，A类设备是指市场上出售的用于贸易、工业或者商业环境的设备，B类设备是指居住环境的设备，同时它们也可以在A类设备的环境下使用，B类设备的传导EMI限值比A类设备的限值更严格。

图3： EN55022 A/B类设备的传导EMI限值

2. 开关电源电源中的电磁干扰分析  

图4： 电磁兼容三要素

电磁噪声源，耦合路径和敏感设备（或接收机）构成了电磁兼容的三要素。

2.1   噪声源

在开关电源中，噪声源是功率器件在工作过程中的du/dit，di/dt变化产生的，主要有以下几种噪声源：功率MOS，输出二极管，电感以及变压器。

2.2   LISN

在分析电磁干扰的耦合路径之前，先介绍下敏感设备，在开关电源中，敏感设备就是LISN (线性组抗性稳定网络)，如图5，其主要作用有：

a. 在交流输入电源和被测试设备EUT之间提供了良好的高频信号隔离，避免交流电源中的干扰信号影响测试结果, 同时阻止开关电源中的干扰进入到交流电源中；

b. 在传导 EMI 的测试频率范围内，为EUT 在L 线和N 线中产生的干扰电流提供额定测试阻抗。

图5： LISN等效电路

2.3   耦合路径

耦合路径是指传输电磁噪声的通路或媒介，它包括两种方式，一种是通过噪声源和敏感设备之间的连线构成的传导耦合途径，另一种是通过空间电磁波辐射构成的辐射耦合途径。

差模干扰是L、N两 线之间的干扰，在反激电源中，差模干扰由反激电感的纹波电流引起的，因此可将反激电感的电流视为差模干扰电流源，其耦合路径以及等效电路，见图6.

图6： 差模耦合路径及等效电路

共模干扰是L对地以及N对地的干扰。在反激电源中，共模干扰主要有3个耦合路径，见图7。

图7： 共模耦合路径及等效电路

3. 开关电源中EMI抑制技术  

电力电子变换器传导EMI 的抑制方法主要分为以下几类：基于噪声源的抑制方法、基于传导EMI 路径的平衡和干扰对消法、以及基于PCB 布线和元件布局优化的抑制方法，增加EMI滤波器。

3.1   基于干扰源的传导EMI抑制

电力电子变换器的开关管可以被视作传导EMI 的噪声源。以噪声电压源为梯形波的情况为例，图9给出了一个开关周期内的噪声电压源波形，其中At 为梯形波幅值，Ts 为开关周期，τw 为电压上升与下降至At /2 之间的时间，τr 和τf 分别为电压上升和下降时间，一般可认为τr=τf。对该梯形波进行傅里叶分解，图b给出了梯形波的频谱包络和频谱的最大边界。其中，频谱的最大边界在频率低于1/(πτw)时的斜率为0dB/dec，在频率[1/(πτw), 1/(πτr)]之间的衰减斜率为−20dB/dec，频率高于1/(πτr)时的衰减斜率为40dB/dec。显然，增大梯形波的上升和下降时间τr，可以减小频率高于1/(πτr)时的梯形波谐波幅值。增加驱动电阻或者增加吸收可以有效减小开关管的dv/dt 和di/dt，实际上是增大了梯形波的上升和下降时间，从而减小了传导EMI 的高频谐波幅值。开关频率固定时，传导EMI的谐波在频谱中主要分布在开关频率及其倍数次频率附近。此时，传导EMI的能量分布比较集中。在不影响变换器主电路工作的情况下，频率调制(也称为抖频)方法使开关频率在一定范围内变化，将原本集中分布于开关频率及其倍数次频率的传导EMI 分散至一定频率范围，可以改善传导EMI 的平均值频谱。

MPS开发了一系列具有抖频技术的开关电源芯片, 既有控制器，也有集成900V MOS的单芯片变换器，它们都采用抖频技术，可以很好的降低EMI噪声。

图9： 梯形波以及频谱的最大边界包络

3.2   基于传导路径的抑制技术

a. 散热器接原边地，切断散热器的耦合路径

b. 改变变压器的绕制方式

把变压器的高频动点绕制在最内段，减小和副边绕组的耦合电容Cps，从而有效的减小共模噪声干扰。

c. 采用屏蔽

在原副边之间增加屏蔽，使得原副边耦合的距离增加，从而减小原副边之间的耦合电容Cps，减小共模噪声干扰。

d. 改变屏蔽绕组的宽度

当副边输出电压较高时，在增加屏蔽后，有可能导致，Ip=VpCps

e.平衡对消法

3.3   基于PCB布局的EMI抑制技术

在PCB布局，需要将高频环路尽可能的布小，同时输入滤波器的回路也尽可能的布小。