開關(guān)電源設(shè)計中如何減小EMI
先簡單介紹一下下EMI:
EMI翻譯成中文就是電磁干擾。其實所有的電器設(shè)備,都會有電磁干擾。只不過嚴(yán)重程度各有不同。
電磁干擾會影響各種電器設(shè)備的正常工作,會干擾通信數(shù)據(jù)的正常傳遞,雖然對人體的傷害尚無定論,但是普遍認(rèn)為對人體不利。
所以很多國家和地區(qū)對電器的電磁干擾程度有嚴(yán)格的規(guī)定。當(dāng)然電源也不例外的,所以我們有理由好好了解EMI以及其抑制方法。
下面結(jié)合一些專家的文獻(xiàn)來描述EMI.
首先EMI 有三個基本面
就是
噪音源:發(fā)射干擾的源頭。 耦合途徑:傳播干擾的載體。 接收器:被干擾的對象。
缺少一樣,電磁干擾就不成立了。所以,降低電磁干擾的危害,也有三種辦法:
1. 從源頭抑制干擾。
2.切斷傳播途徑
3.增強(qiáng)抵抗力,這個就是所謂的EMC(電磁兼容)
先解釋幾個名詞:
傳導(dǎo)干擾:也就是噪音通過導(dǎo)線傳遞的方式。
輻射干擾:也就是噪音通過空間輻射的方式傳遞。
差模干擾:由于電路中的自身電勢差,電流所產(chǎn)成的干擾,比如火線和零線,正極和負(fù)極。
共模干擾:由于電路和大地之間的電勢差,電流所產(chǎn)生的干擾。
通常我們?nèi)嶒炇覝y試的項目:
傳導(dǎo)發(fā)射:測試你的電源通過傳導(dǎo)發(fā)射出去的干擾是否合格。
輻射發(fā)射:測試你的電源通過輻射發(fā)射出去的干擾是否合格。
傳導(dǎo)抗擾:在具有傳導(dǎo)干擾的環(huán)境中,你的電源能否正常工作。
輻射抗擾:在具有輻射干擾的環(huán)境中,你的電源能否正常工作。
首先來看,噪音的源頭:
任何周期性的電壓和電流都能通過傅立葉分解的方法,分解為各種頻率的正弦波。
所以在測試干擾的時候,需要測試各種頻率下的噪音強(qiáng)度。
那么在開關(guān)電源中,這些噪音的來源是什么呢?
開關(guān)電源中,由于開關(guān)器件在周期性的開合,所以,電路中的電流和電壓也是周期性的在變化。那么那些變化的電流和電壓,就是噪音的真正源頭。
那么有人可能會問,我的開關(guān)頻率是100KHz的,但是為什么測試出來的噪音,從幾百K到幾百M都有呢?
我們把同等有效值,同等頻率的各種波形做快速傅立葉分析:
藍(lán)色: 正弦波
綠色: 三角波
紅色: 方波
可以看到,正弦波只有基波分量,但是三角波和方波含有高次諧波,諧波最大的是方波。
也就是說如果電流或者電壓波形,是非正弦波的信號,都能分解出高次諧波。
那么如果同樣的方波,但是上升下降時間不同,會怎樣呢。
同樣是100KHz的方波
紅色:上升下降時間都為100ns
綠色:上升下降時間都為500ns
可以看到紅色的高次諧波明顯大于綠色。
我們繼續(xù)分析下面兩種波形,
A: 有嚴(yán)重高頻震蕩的方波, 比如MOS,二極管上的電壓波形。
B:用吸收電路,把方波的高頻振蕩吸收一下。
分別做快速傅立葉分析:
再來看,那么這些干擾如何傳遞到接收器的?又要如何來阻擋這些干擾傳遞到接收器呢?
先來看差模的概念,差模電流很容易理解,如下圖,
差模電流在輸入的火線和零線(或者正線到負(fù)線)之間形成回路,用基爾霍夫定理可以很容易理解,兩條線上的電流完全相等。
而這個差模電流除了包含電網(wǎng)頻率(或者直流)的低頻分量之外,還有開關(guān)頻率的高頻電流,如果開關(guān)頻率的電流不是正弦的,那么必然還有其諧波電流。
現(xiàn)在以最簡單的,具有PFC功能的DCM 反激電源為例子,(如上圖)
其輸入線上的電流如下:
如將其放大:
可以看到電流波形為,眾多三角波組成,但是其平均值為工頻的正弦。那么講輸入電流做傅立葉分析,可以得到:
可以看到,除了100Khz開關(guān)頻率的基波之外,還有豐富的諧波。繼續(xù)分析到更高頻率,可以看到:
如果不加處理,光差模電流就可以讓傳導(dǎo)超標(biāo)。
那么如何,來阻擋這些高頻電流呢?最簡單有效的,就是加輸入濾波器。
例子1,在輸入端加一個RC濾波器:
在對輸入電流做傅立葉分析:
可以看到高頻諧波明顯下降
如果加LC濾波器:
對輸入電流做分析:
可以看到濾泡效果更好,但是在低頻點卻有處更高了。這個主要是LC濾波器諧振導(dǎo)致。
而實際 電路中,由于各種阻抗的存在。LC不太容易引起諧振,但是也會偶爾發(fā)生。
如果在傳導(dǎo)測試中發(fā)現(xiàn)低頻段,有非開關(guān)頻率倍頻的地方超標(biāo),可以考慮是否濾波器諧振。
.下面的波形,一個是具有導(dǎo)通尖峰的電流波形,一個沒有導(dǎo)通尖峰。
對兩個波形做傅立葉分析:
可以看到紅色波形的高次諧波,要大于綠色波形。
繼續(xù)對兩個波形,作分析
紅色: 固定頻率的信號
綠色:具有稍微頻率抖動的信號
可以看到,頻率抖動,可以降低低頻段能量。進(jìn)一步,放大低頻段的頻譜能量:
可以看到,頻率抖動就是把頻譜能量分散了,而固定頻率的頻譜能量,集中在基波的諧波頻率點,所以峰值比較高,容易超標(biāo)。
最后稍微總結(jié)一下,如果從源頭來抑制EMI。
1.對于開關(guān)頻率的選擇,比如傳導(dǎo)測試150K-30M,那么在條件容許的情況下,可選擇130K之類的開關(guān)頻率,這樣基波頻率可以避開測試。
2.采用頻率抖動的技術(shù)。頻率抖動可以分散能量,對低頻段的EMI有好處。
3.適當(dāng)降低開關(guān)速度,降低開關(guān)速度,可以降低開關(guān)時刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。
4.采用軟開關(guān)技術(shù),比如PSFB,AHB之類的ZVS可以降低開關(guān)時刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。而LLC等諧振技術(shù),可以讓一些波形變成正弦波,進(jìn)一步降低EMI。
5.對一些振蕩尖峰做吸收,這些管子上的振蕩,往往頻率很高,會發(fā)射很大的EMI.
6.采用反向恢復(fù)好的二極管,二極管的反向恢復(fù)電流,不但會帶來高di/dt.還會和漏感等寄生電感共同造成高的dv/dt.
下面來看一下傳播途徑,這個是poon & Pong 兩位教授總結(jié)的。
傳播途徑,比較的直觀
我們先來看傳導(dǎo)途徑:
傳導(dǎo)干擾的傳遞都是通過電線來傳遞的,測試的時候,使測試通過電線傳導(dǎo)出來得干擾大小。
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