2 開關電源產(chǎn)生EMI的原理

　　開關電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。

　　基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因為正弦波電源通過整流器后變成單向脈動電源已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實驗結(jié)果表明，諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

　　變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：

　　(1)開關功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感在開關管導通的瞬間，變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關管。

　　(2)由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾當原來導通的開關管關斷時，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢

　　E=-Ldi/dt

　　其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導向配電系統(tǒng)，影響其它用電設備的安全和經(jīng)濟運行。

　　(3)由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾在輸出整流二極管截止時，有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結(jié)電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。

　　對上述開關電源產(chǎn)生的EMI所采取的抑制措施，主要有正確選擇半導體器件、變壓器鐵芯材料和在開關電源的電路中采取屏蔽、接地、濾波等幾種方法。本文僅介紹濾波抑制措施。

　　3 抑制開關電源EMI的濾波措施

　　濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源EMI信號的傳導干擾和輻射干擾。任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾;共模干擾在導線與地(機殼)之間傳輸，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小;共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導干擾，把EMI信號控制在有關EMC標準規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關電源的工作頻率約為10kHz～100kHz。EMC很多標準規(guī)定的傳導干擾電平的極限值都是從10kHz算起。對開關電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號，只要選擇適當?shù)娜ヱ铍娐坊蚓W(wǎng)絡結(jié)構較為簡單的EMI濾波器，就可得到滿意的效果。

圖1為開關電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡結(jié)構。

　　該濾波器是由集中參數(shù)元件構成的無源低通網(wǎng)絡，其中L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的2只獨立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈(LCM)，L3、L4是獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負載端接被干擾設備，那么L1和Cy，L2和Cy就分別構成L—E和N—E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。

　　共模濾波網(wǎng)絡結(jié)構等效電路如圖2所示，它由LCM和Cy組成。圖中右邊是開關電源的共模噪聲等效電路，并聯(lián)電容Cp包括開關管集電極和地之間的分布電容及高頻變壓器初次級間的分布電容;Rp是電流源的并聯(lián)電阻。開關電源共模噪聲等效電路的源內(nèi)阻ZSMPS是高阻抗容性的。

　　圖1中，L1、L2兩個線圈所繞匝數(shù)相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L1和L2的電感量是不相等的，于是，(L1—L2)形成差模電感LDM，它和L3與L4形成的獨立差模抑制電感與Cx電容器又組成L—N獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。

　　差模干擾信號等效電路如圖3所示。它由高阻抗干擾等效電路和低阻抗干擾等效電路兩部分組成。圖3中，開關S表示橋式整流二極管導通與否，因此高低兩個等效電路是不能同時存在的;Rs是分布電阻，Ls是分布電感，數(shù)值都很小。為與共模情況區(qū)別，Rp和Cp分別用Rp′和Cp′表示。

　　差模EMI信號濾波網(wǎng)絡結(jié)構等效電路如圖4所示。LDM是差模電感，包含共模線圈形成的差模電感和獨立的差模抑制電感;CLL是濾波網(wǎng)絡選用的并聯(lián)電容。圖4(b)與圖4(a)相比，增加了一個CLL2，其數(shù)值的選擇使濾波網(wǎng)絡與負載構成失配狀態(tài)。

　　由于圖1電路是無源網(wǎng)絡，它具有互易性。當它安裝在系統(tǒng)中后，既能有效地抑制電子設備外部的EMI信號傳入設備，又能大大衰減設備本身工作時產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的EMI信號，起到同時衰減兩組共模EMI信號和一組差模EMI信號的作用。

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