開關(guān)電源EMI噪聲分析.doc

開關(guān)電源EMI噪聲分析及抑制0 引言開關(guān)電源作為一種通用電源，以其輕、薄、小和高效率等特點(diǎn)為人們所熟知，是各種電子設(shè)備小型化和低成本化不可缺少的一種電源方式，已成為當(dāng)今的主流電源。隨著電子信息產(chǎn)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍也必將日益擴(kuò)大，需求量也會(huì)與日俱增。然而，當(dāng)人們盡情享用開關(guān)電源所帶來(lái)的輕、薄、小和高效率等種種便利之時(shí)，同時(shí)也帶來(lái)了噪聲干擾的種種危害。特別是開關(guān)電源在向更小體積、更高頻率、更大功率的方向發(fā)展，其dVdt、dIdt所帶來(lái)的EMI噪聲也將會(huì)更大。它的傳導(dǎo)噪聲、輻射噪聲會(huì)波及整機(jī)的安全，有時(shí)會(huì)干擾一些CPU的指令，引起系統(tǒng)的誤操作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)的顛覆性破壞。為此，我們?cè)谑褂瞄_關(guān)電源時(shí)，要密切關(guān)注開關(guān)電源的EMI噪聲所帶來(lái)的危害，采取積極的防范措施來(lái)降低EMI噪聲，把EMI噪聲的影響降到最低。1 電源噪聲基本概念電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz，最高可150MHz。電源噪聲，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：. 一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾；. 一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種：. 串模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱線對(duì)線）的噪聲。. 共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱線對(duì)地）的噪聲。開關(guān)電源屬于強(qiáng)干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性，在設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中需要特別的關(guān)注。2 電源噪聲分析開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，在中小功率開關(guān)電源模塊中，使用較多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為推挽式、單端正激式、單端反激式等。典型的單端正激式開關(guān)電源電路框圖如圖1所示。圖1 單端正激變換電路電路工作時(shí)，由PWM控制單元送出脈寬可變的脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Ql，其導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)不斷改變。在功率開關(guān)管Q1的高頻開關(guān)切換過(guò)程中，流過(guò)功率開關(guān)管和高頻變壓器的脈沖會(huì)產(chǎn)生紛雜的諧波電壓及諧波電流。這些諧波電壓及諧波電流產(chǎn)生的噪聲可通過(guò)電源輸入線傳到公共供電端，或通過(guò)開關(guān)電源的輸出線傳到負(fù)載上，從而對(duì)其它系統(tǒng)或敏感元器件造成干擾。這些噪聲在電源線上傳導(dǎo)的噪聲頻譜圖如圖2所示，從圖中可以看出，在幾百kHz到50 MHz的頻段內(nèi)，也就是在開關(guān)頻率的基波和若干次諧波的頻段內(nèi)，干擾噪聲的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了GJBl51A所規(guī)定的范圍，因而會(huì)造成系統(tǒng)傳導(dǎo)噪聲等電磁兼容指標(biāo)超標(biāo)。圖2 開關(guān)電源在電源線上的傳導(dǎo)噪聲頻譜圖2.1 共模噪聲電流金屬封裝結(jié)構(gòu)表面貼裝開關(guān)電源模塊的整個(gè)電路元器件全部都裝配在基片上。PWM控制片、功率開關(guān)管、整流二極管等有源器件全部采用表面貼裝封裝元件，輸入輸出的電壓電流由引線送出。這樣的連接方式雖然構(gòu)成了電路回路，但也給電路帶來(lái)了新的寄生電容Cp，這些寄生電容的分布如圖3所示。圖3 開關(guān)電源的寄生電容Cp分布在初級(jí)回路中，功率開關(guān)管芯片、PWM控制芯片、運(yùn)算放大器芯片、電源正負(fù)輸入線的走線軌跡等都會(huì)與外殼底板之間產(chǎn)生寄生電容Cp，寄生電容的容量大小取決于基片的厚度和它們?cè)诘装迳纤紦?jù)的面積。這樣，在電路中，這些元器件及其走線與外殼底板之間就形成了分布電容Cp1、Cp2、Cp6等。這些分布電容在dVdt、dIdt及整流二極管反向恢復(fù)電流等共同影響下，就會(huì)引起噪聲電流。這些噪聲電流對(duì)于輸入電源線的正負(fù)之間、以及輸出負(fù)載線的正負(fù)之間大小相等，相位相同，稱之為共模噪聲電流。共模噪聲電流的大小與分布電容的大小、dVdt、dIdt等有關(guān)。2.2 初級(jí)差模噪聲電流圖4所示是初級(jí)差模干擾電流示意圖。在初級(jí)回路中，功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器原邊繞組Lp與輸入濾波電容Ci構(gòu)成了開關(guān)電源的輸入直流變換回路，這個(gè)變換回路在正常工作時(shí)，會(huì)將輸入的直流能量通過(guò)高頻變壓器傳給次級(jí)。但在功率開關(guān)管Q1開關(guān)時(shí)，高頻脈沖的上升和下降所引起的基波及諧波會(huì)沿著輸入濾波電容Ci傳向輸入供電端，這種沿著輸入電源線正負(fù)端傳播的噪聲電流稱之為初級(jí)差模噪聲電流IDIFF。圖4 初級(jí)差模噪聲電流示意圖這種差模干擾電流IDIFF經(jīng)輸入電源線流向公共供電端，特別是當(dāng)輸入濾波電容Ci濾波不足時(shí)，對(duì)輸入電源線的干擾很大，它還會(huì)通過(guò)公共的供電端干擾系統(tǒng)的其它部分，從而使其它部分的性能指標(biāo)降低。2.3 次級(jí)差模噪聲電流圖5 次級(jí)差模噪聲電流示意圖次級(jí)差模干擾電流示意圖如圖5所示。在開關(guān)電源的次級(jí)回路中，高頻變壓器副邊繞組Ls和整流二極管V2負(fù)責(zé)將輸入的能量傳給負(fù)載。輸出濾波電感L、輸出濾波電容Co對(duì)高頻部分進(jìn)行濾波。整流二極管V2的作用是將次級(jí)繞組的脈沖波整流成直流。脈沖波為高電平時(shí)，整流二極管導(dǎo)通，此時(shí)將能量傳給負(fù)載，脈沖波為低電平時(shí)截止，輸出電流通過(guò)V3進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)整流二極管V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于二極管的載流子移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流，這個(gè)反向恢復(fù)電流會(huì)沿著輸出濾波電感和輸出濾波電容傳播到負(fù)載回路中。所以，沿著輸出線傳播的EMI噪聲電流包含有兩個(gè)部分，一部分是正常傳送能量時(shí)所攜帶的開關(guān)基頻與諧波的干擾電流，另一部分是二極管反向恢復(fù)電流所引起的干擾電流。這個(gè)沿著輸出線正負(fù)端傳播的噪聲電流是差模噪聲電流IDIFF。這種差模噪聲電流會(huì)給負(fù)載電路帶來(lái)非常不利的影響，特別是輸出濾波電容濾波不足時(shí)，表現(xiàn)得特別厲害，它會(huì)影響負(fù)載電路中的模擬電路的靈敏度和數(shù)字電路的門限等，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致電路誤觸發(fā)，從而引起整個(gè)系統(tǒng)的工作不正常。3 噪聲抑制措施抑制電磁干擾（EMI）噪聲應(yīng)該從干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備入手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對(duì)噪聲的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。3.1 屏蔽屏蔽可以用來(lái)控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播，這是克服電場(chǎng)耦合干擾、。磁場(chǎng)耦合干擾以及電磁輻射干擾的最有效手段。屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或高磁導(dǎo)率材料來(lái)減少磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。通常采用兩層屏蔽技術(shù)，外層屏蔽材料的磁導(dǎo)率不是很高，但是其達(dá)到磁飽和的磁場(chǎng)強(qiáng)度卻很高，內(nèi)層屏蔽材料采用高磁導(dǎo)率，以充分吸收噪聲。圖6 屏蔽示意圖 發(fā)揮屏蔽效果的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)屏蔽盒的開口和連接部分之間的間隙。必須增多屏蔽盒的連接部分，從而使開口和間隙的最長(zhǎng)的邊減至最小。圖7是幾種良好屏蔽示例與不良示例的比較。圖7 屏蔽示例比較3.2 接地為了阻止電路塊之間出現(xiàn)噪聲干擾，必須減小各個(gè)電路塊之間的GND阻抗，以使來(lái)自各個(gè)電路塊的GND電流不會(huì)互相干擾。通過(guò)加寬和縮短信號(hào)間的接地布局，可減小接地阻抗，這將減小對(duì)地勢(shì)差。通常采用混合接板地方式，如圖8所示。圖8 混合接地方式對(duì)于低頻地電流，小電容阻抗很大，該方式相當(dāng)于并行單點(diǎn)接地；對(duì)于高頻電流，該方式相當(dāng)于多點(diǎn)接板地。3.3 濾波3.3.1 EMI濾波器加裝EMI電源濾波器是抑制EMI噪聲最好的方法之一。在電源輸入端加裝EMI電源濾波器可以獲得雙重效果，它既可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI干擾傳向電源端，亦可抑制來(lái)自電源端的EMI噪聲對(duì)開關(guān)電源造成的干擾。在輸出端也可加EMI濾波器。EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9 EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)該電路由共模濾波電路和差模濾波電路組成。其中Ll和L2是繞在同一磁芯上的兩只獨(dú)立線圈，稱為共模扼流線圈，其所繞線的圈數(shù)相同，線圈繞向相反。這樣，EMI濾波器接入電路后，兩個(gè)線圈內(nèi)共模電流產(chǎn)生的磁通在磁罐內(nèi)將互相抵消，因而不會(huì)使磁罐達(dá)到磁飽和，因此，兩只線圈的電感值能保持不變。其中，L1、L2和兩個(gè)電容Cy構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立端口間的低通濾波器，可以抑制電源線上存在的共模EMI信號(hào)，以使這些共模EMI信號(hào)無(wú)法在電源線上進(jìn)行傳導(dǎo)。L3、L4是差模扼流線圈，Cx是差模濾波電容能夠抑制差模信號(hào)。采用EMI濾波器后的濾波效果如圖10所示。有圖可知，噪聲水平一限制在標(biāo)準(zhǔn)線之下。圖10 加裝EMI濾波器后的傳導(dǎo)噪聲頻譜圖3.3.2 EMIFIL（靜噪濾波器）EMIFIL是由村田制作所推出的產(chǎn)品，可有效濾除EMI噪聲，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、濾波原理與EMI濾波器一樣，抑制噪聲過(guò)程如圖11所示。圖11 濾波器工作過(guò)程4 總結(jié)如何使整機(jī)通過(guò)電磁兼容測(cè)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越關(guān)心的事情。要全面、系統(tǒng)的解決電磁兼容問(wèn)題，就必須從最初的設(shè)計(jì)和最基礎(chǔ)的原理入手。