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如何从设计角度来降低开关电源的EMI电磁干扰

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发表于 2014-8-13 08:38:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  <div class="g-plr-10 g-pb-10 g-lh-22 content g-fz-14"><p>
        先简单介绍一下下<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dr/200010060044/8298&#46;html"><b>EMI</b></a>:</p>
<p>
          EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备,都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。</p>
<p>
          电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作,会干扰通信数据的正常传递,虽然对人体的伤害尚无定论,但是普遍认为对人体不利。</p>
<p>
          所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/jdq/200010110002/18851&#46;html"><b>电源</b></a>也不例外的,所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。</p>
<p>
          下面结合一些专家的文献来描述EMI&#46;</p>
<p>
          首先EMI 有三个基本面</p>
<p>
          <img width="388" height="225" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953388254526&#46;jpg" /></p>
<p>
          就是</p>
<p>
          噪音源:发射干扰的源头。 耦合途径:传播干扰的载体。 <a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/cgq/200010150006/17033&#46;html"><b>接收器</b></a>:被干扰的对象。</p>
<p>
          缺少一样,电磁干扰就不成立了。所以,降低电磁干扰的危害,也有三种办法:</p>
<p>
          1&#46; 从源头抑制干扰。</p>
<p>
          2&#46;切断传播途径</p>
<p>
          3&#46;增强抵抗力,这个就是所谓的EMC(电磁兼容)</p>
<p>
          先解释几个名词:</p>
<p>
          传导干扰:也就是噪音通过导线传递的方式。</p>
<p>
          辐射干扰:也就是噪音通过空间辐射的方式传递。</p>
<p>
          差模干扰:由于电路中的自身电势差,<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dgq/200010090012/10541&#46;html"><b>电流</b></a>所产成的干扰,比如火线和零线,正极和负极。</p>
<p>
          共模干扰:由于电路和大地之间的电势差,电流所产生的干扰。</p>
<p>
          通常我们去实验室测试的项目:</p>
<p>
          传导发射:测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。</p>
<p>
          辐射发射:测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。</p>
<p>
          传导抗扰:在具有传导干扰的环境中,你的电源能否正常工作。</p>
<p>
          辐射抗扰:在具有辐射干扰的环境中,你的电源能否正常工作。</p>
<p>
          首先来看,噪音的源头:</p>
<p>
          任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法,分解为各种频率的正弦波。</p>
<p>
          所以在测试干扰的时候,需要测试各种频率下的噪音强度。</p>
<p>
          那么在<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/KG/200010120030/27242&#46;html"><b>开关</b></a>电源中,这些噪音的来源是什么呢?</p>
<p>
          <img width="405" height="309" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953435124527&#46;jpg" /></p>
<p>
          <a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dy/300010210032/29752&#46;html"><b>开关电源</b></a>中,由于开关器件在周期性的开合,所以,电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压,就是噪音的真正源头。</p>
<p>
          那么有人可能会问,我的开关频率是<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/100&#46;html"><b>100</b></a>KHz的,但是为什么测试出来的噪音,从几百K到几百M都有呢?</p>
<p>
          我们把同等有效值,同等频率的各种波形做快速傅立叶分析:</p>
<p>
          <img width="395" height="306" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953482004528&#46;jpg" /></p>
<p>
          蓝色: 正弦波</p>
<p>
          绿色: 三角波</p>
<p>
          红色: 方波</p>
<p>
          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谐波,谐波最大的是方波。</p>
<p>
          也就是说如果电流或者电压波形,是非正弦波的信号,都能分解出高次谐波。</p>
<p>
          那么如果同样的方波,但是上升下降时间不同,会怎样呢。</p>
<p>
          同样是100KHz的方波</p>
<center>
        <img width="366" height="322" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953544494529&#46;jpg" /></center>
<p>
          红色:上升下降时间都为100ns</p>
<p>
          绿色:上升下降时间都为500ns</p>
<p>
          可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。</p>
<p>
          我们继续分析下面两种波形,</p>
<p>
          A: 有严重高频震荡的方波, 比如<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/MOS&#46;html"><b>MOS</b></a>,<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/qtdz/200010160002/28676&#46;html"><b>二极管</b></a>上的电压波形。</p>
<p>
          B:用吸收电路,把方波的高频振荡吸收一下。</p>
<center>
        <p>
                <img width="375" height="177" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953700744530&#46;jpg" /></p>
</center>
<p>
          分别做快速傅立叶分析:</p>
<center>
        <p>
                <img width="398" height="268" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953747614531&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                可以看到在振荡频率(大概30M)之后,A波形的谐波,要大于B波形。</p>
</center>
<p style="text-align: justify;">
          再来看,下面的波形,一个是具有导通尖峰的电流波形,一个没有导通尖峰。</p>
<center>
        <p>&nbsp;</p>
        <p>
                <img width="346" height="211" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953810114532&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                  对两个波形做傅立叶分析:</p>
        <center>
                <p>
                        <img width="355" height="290" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953856994533&#46;jpg" /></p>
        </center>
        <p style="text-align: justify;">
                  可以看到红色波形的高次谐波,要大于绿色波形。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  继续对两个波形,作分析</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  红色: 固定频率的信号</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  绿色:具有稍微频率抖动的信号</p>
        <p>
                  <img width="357" height="275" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953903864534&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                  可以看到,频率抖动,可以降低低频段能量。进一步,放大低频段的频谱能量:</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  <img width="396" height="281" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063953966364535&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                  可以看到,频率抖动就是把频谱能量分散了,而固定频率的频谱能量,集中在基波的谐波频率点,所以峰值比较高,容易超标。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  最后稍微总结一下,如果从源头来抑制EMI。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  1&#46;对于开关频率的选择,比如传导测试<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/150&#46;html"><b>150</b></a>K-30M,那么在条件容许的情况下,可选择130K之类的开关频率,这样基波频率可以避开测试。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  2&#46;采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量,对低频段的EMI有好处。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  3&#46;适当降低开关速度,降低开关速度,可以降低开关时刻的di/<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dgq/200010090011/541129&#46;html"><b>dt</b></a>,dv/dt。对高频段的EMI有好处。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  4&#46;采用软开关技术,比如PSFB,<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/AHB&#46;html"><b>AHB</b></a>之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术,可以让一些波形变成正弦波,进一步降低EMI。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  5&#46;对一些振荡尖峰做吸收,这些管子上的振荡,往往频率很高,会发射很大的EMI&#46;</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  6&#46;采用反向恢复好的二极管,二极管的反向恢复电流,不但会带来高di/dt&#46;还会和漏感等寄生<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dgq/200010090025/11848&#46;html"><b>电感</b></a>共同造成高的dv/dt&#46;</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  下面来看一下传播途径,这个是poon &amp;<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/AMP&#46;html"><b>amp</b></a>; Pong 两位教授总结的。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  传播途径,比较的直观全面</p>
        <p>
                <img width="394" height="244" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954013234536&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                  我们先来看传导途径:</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  传导干扰的传递都是通过<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/dl/300010300001&#46;html"><b>电线</b></a>来传递的,测试的时候,使测试通过电线传导出来得干扰大小。</p>
        <p>
                <img width="365" height="284" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954106984537&#46;jpg" /></p>
        <p style="text-align: justify;">
                也就是说对电源来说,所有的传导干扰都会通过输入线,传递到测试接收器。</p>
        <p style="text-align: justify;">
                  那么这些干扰如何传递到接收器的?又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢?</p>
        <center>
                <p style="text-align: justify;">
                          先来看差模的概念,差模电流很容易理解,如下图,</p>
                <p>
                         <img width="410" height="203" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954153854538&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          差模电流在输入的火线和零线(或者正线到负线)之间形成回路,用基尔霍夫定理可以很容易理解,两条线上的电流完全相等。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          而这个差模电流除了包含电网频率(或者直流)的低频分量之外,还有开关频率的高频电流,如果开关频率的电流不是正弦的,那么必然还有其谐波电流。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          现在以最简单的,具有PFC功能的<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/detail/DCM&#46;html"><b>DCM</b></a> 反激电源为例子,(如上图)</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          其输入线上的电流如下:</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          <img width="403" height="238" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954200734539&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          如将其放大:</p>
                <p>
                         <img width="376" height="304" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954247604540&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          可以看到电流波形为,众多三角波组成,但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析,可以得到:</p>
                <p>
                          <img width="386" height="248" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954294484541&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          可以看到,除了100Khz开关频率的基波之外,还有丰富的谐波。继续分析到更高频率,可以看到:</p>
                <p>
                         <img width="395" height="252" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954591344542&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          如果不加处理,光差模电流就可以让传导超标。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          那么如何,来阻挡这些高频电流呢?最简单有效的,就是加输入<a target="_blank" href="http://www&#46;hqew&#46;com/tech/qtdz/200010160002/28567&#46;html"><b>滤波器</b></a>。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          例子1,在输入端加一个RC滤波器:</p>
                <p>
                          <img width="385" height="186" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954638224543&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          在对输入电流做傅立叶分析:  </p>
                <center>
                        <img width="410" height="238" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954700724544&#46;jpg" /></center>
                <p style="text-align: justify;">
                          可以看到高频谐波明显下降</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          如果加LC滤波器:</p>
                <p style="text-align: justify;">&nbsp;</p>
                <center>
                        <img width="373" height="181" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954747594545&#46;jpg" /></center>
                <p style="text-align: justify;">
                          对输入电流做分析:</p>
                <p>
                          <img width="397" height="287" src="http://www&#46;hqew&#46;com/file/tech2/fangan/2012/0123/20121105063954794464546&#46;jpg" /></p>
                <p style="text-align: justify;">
                          可以看到滤泡效果更好,但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          而实际 电路中,由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振,但是也会偶尔发生。</p>
                <p style="text-align: justify;">
                          如果在传导测试中发现低频段,有非开关频率倍频的地方超标,可以考虑是否滤波器谐振。</p>
        </center>
</center></div>

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