开关电源设计中如何减小EMI

2万 · 2013-11-18 23:55

先简单介绍一下下EMI：

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。

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。

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。当然电源也不例外的，所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。

下面结合一些专家的文献来描述EMI.

首先EMI 有三个基本面

2万 · 2013-11-18 23:56

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：

1. 从源头抑制干扰。

2.切断传播途径

3.增强抵抗力，这个就是所谓的EMC（电磁兼容）

先解释几个名词：

传导干扰：也就是噪音通过导线传递的方式。

辐射干扰：也就是噪音通过空间辐射的方式传递。

差模干扰：由于电路中的自身电势差，电流所产成的干扰，比如火线和零线，正极和负极。

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。

通常我们去实验室测试的项目：

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。

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。

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。

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。

首先来看，噪音的源头：

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。

所以在测试干扰的时候，需要测试各种频率下的噪音强度。

那么在开关电源中，这些噪音的来源是什么呢？

2万 · 2013-11-18 23:56

开关电源中，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。

那么有人可能会问，我的开关频率是100KHz的，但是为什么测试出来的噪音，从几百K到几百M都有呢？

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：

蓝色：正弦波

绿色：三角波

红色：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谐波，谐波最大的是方波。

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。

那么如果同样的方波，但是上升下降时间不同，会怎样呢。

2万 · 2013-11-18 23:56

同样是100KHz的方波

红色：上升下降时间都为100ns

绿色：上升下降时间都为500ns

可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。

我们继续分析下面两种波形，

A: 有严重高频震荡的方波，比如MOS，二极管上的电压波形。

2万 · 2013-11-18 23:57

B:用吸收电路，把方波的高频振荡吸收一下。

分别做快速傅立叶分析：

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。

2万 · 2013-11-18 23:57

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。

对两个波形做傅立叶分析：

可以看到红色波形的高次谐波，要大于绿色波形。

2万 · 2013-11-18 23:57

继续对两个波形，作分析

红色: 固定频率的信号

绿色：具有稍微频率抖动的信号

2万 · 2013-11-18 23:58

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：

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。

2万 · 2013-11-18 23:58

最后稍微总结一下，如果从源头来抑制EMI。
1.对于开关频率的选择，比如传导测试150K-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。
2.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。
3.适当降低开关速度，降低开关速度，可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。
4.采用软开关技术，比如PSFB，AHB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。
5.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.
6.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.还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt.
下面来看一下传播途径，这个是poon & Pong 两位教授总结的。