高频开关电源的EMC-

1、高频开关电源的EMC开关电源相对以往传统的线性工频电源,体积小,重量轻,效率高,目前已得到普遍推广应用,但是,由于开关电源的工作频率高,高频电压或电流脉冲波含有丰富的谐波分量,所以电磁干扰(EMI 问题日益严重。特别是随着电源技术的发展,开关频率越来越高,电源和所供电的负载系统越来越靠近,EMI 的影响就日益突出。电磁兼容(EMC 的设计和优化必须贯穿于电源设计的每个环节,EMC 指标也成为衡量电源质量的一个重要方面。下面会涉及开关电源EMC 的基本概念和原则,并提供抑制开关电源EMI 的常规需注意的设计方法。首先,需要明确EMI (电磁干扰和EMC (电磁兼容这两个术语的含义是对立的。EMI

2、 一般定义为:通过电磁能量传递方式,一台电子设备对另一台正在运行的电子设备造成的干扰。而EMC 则是没有EMI ,运行的电子设备之间不形成相互干扰。从EMI 的定义来看,我们可以得出产生EMI 的三要素:电磁能量发生线路(干扰源;不同线路之间干扰的传递途径(耦合方式;接收干扰的电子线路(敏感源。上述三要素必须全部存在的情况下,EMI 才会产生。也就是说,只要消除其中任意一个要素,就能避免EMI ,达到不同线路(或设备之间的EMC 。在抑制电磁干扰的措施中,尽管屏蔽或隔离等措施能有效地切断干扰的耦合途径或使敏感源避免受到干扰信号的影响,不失为一种有效的EMC 策略和手段。但是,一般推荐的EMC

3、策略还是消除或抑制干扰源,相对消除干扰三要素中的其他两要素而言,消除干扰源最为直接,也最为经济,所以对干扰源的研究和抑制是EMC 的重要内容。一. EMI 的物理概念在一般的线路介绍的教科书中,EMI 的相关论述相对较少,在线路实践过程中,遇到的EMI 问题给人的感觉是比较复杂,不易解释。但是,实际情况是EMI 的产生和抑制的基本原理还是相对简单的。在开关电源中,快速变化的电压或电流脉冲波,能产生一种所谓的场,脉冲波和场之间的量化关系可以由Maxwell 方程式来描述。作为线路应用工程师,我们需要了解的基本物理概念是电子噪声是如何通过电场或磁场耦合来产生的。磁场耦合方式:某线路中电流快速变化的

4、电流环路,通过磁场耦合,可以在敏感线路上感应出噪声电压。噪声电压由以下等式来决定:dtdi M e = M :代表干扰线路和敏感线路之间的互感 电场耦合方式:某线路中电压快速变化的电位体,通过电场耦合,可以在敏感线路回路上感应出噪声电流。噪声电流由以下等式来决定:dtdv C i = C :代表干扰线路和敏感线路之间的耦合电容 从上面的两个关系式可以看出,在开关电源的线路中,与主开关器件串联的环路中,随着主开关器件的导通和关断,环路电流的di/dt 很大,形成强干扰源,通过磁场耦合(互感的方式,在开关电源的其他敏感线路中会感应出噪声电压。同样,随着主功率开关器件的导通和关断,功率场效应管的漏极

5、电位的dv/dt 很大,形成强干扰源,通过电场耦合(寄生耦合电容的方式,在开关电源的其他敏感线路中会感应出噪声电流。以上就是开关电源干扰产生的基本物理概念。很明显,若我们能降低主开关器件的开通和关断的转换速度,使噪声源的di/dt 或dv/dt 减小,可以很有效地抑制开关电源噪声地产生。但是由此带来的问题是主开关器件的开关损耗加大,效率降低。因而设计中需要注意权衡,一般主开关器件的通断速度不宜过慢。关于EMI,还有一个比较重要的概念就是,EMI现象所涉及的电磁能量是非常小的。尽管干扰的能量等级非常小,但是在敏感线路中感应出的噪声则有可能破坏线路的正常运行,导致系统故障。在电磁兼容的相关标准中,

6、噪声容限的极限值一般是很小的数值,例如, FCC相关标准中规定,1MHz处的所测到的EMI能量不能超过20nW。正因为EMI现象的电磁能量很小,所以很容易被忽视,这是需要引起重视的。二.EMI的测量干扰源产生的EMI,一般有以下两种向外传播的途径,一是通过电场或磁场耦合的方式向外辐射电磁能量,另一种则是通过与外部设备相连电源线、负载线及控制线向外传导电磁干扰能量,同时这些与外部设备连接的电缆也有可能成为二次辐射发射的干扰源。一般情况下,频率在30MHz以下的干扰是通过传导发射的方式向外传播的。频率在30MHz以上的干扰是通过辐射发射的方式向外传播的。传导噪声是通过噪声电流的方式向外传导的,测量

7、时,使噪声电流通过一等效的50取样电阻,转化为噪声电压来衡量传导噪声的大小。在美国和加拿大,FCC制定的EMC标准,只规定了设备交流输入线上的传导噪声,在分布式电源系统中,传导噪声很容易通过交流输入线来相互耦合噪声电流。FCC传导噪声的下限测试频率为450KHz。许多其他的国际性组织则规定传导噪声的下限测试频率为150KHz。有的通信方面的测试标准则把下限噪声测试频率扩展到10KHz。辐射噪声的测试频率在30MHz以上,上限测试频率为几百MHz到1GHz,或者更高。传导发射测试相对简单,只需要频谱分析仪和噪声耦合设备即可。而辐射发射的测试由于涉及到空间场的接收,所需的测试环境要求要苛刻得多,不

8、能有外界杂散电场和磁场的干扰,俗称电波暗室。不同的国家或地区的EMC标准有一定的区别,例如,有些标准把电源归为“数字设备”类,有些则归为“信息技术设备”类。大体来讲,根据系统设备的应用场合,EMC指标要求划归为两类,一是CLASS A,适用于工业和商业应用场合的电子设备。另一类是CLASS B,适用于民居场合应用的电子设备,因为这类民用电子设备更加接近人,一般人很少有防范EMI的措施,所以其EMC指标要求要高一些。在美国和加拿大,相关EMC的标准是由FCC(联邦通信委员会来制定的,其中PART 15适用信息技术设备(ITE;PART 18适用工业,科技和医疗设备(ISM;PART 68适用与电

9、话网络相关的设备。在国际上,相关的EMC标准是由IEC(国际电工委员会来制定。其中欧洲联盟发布的通用EMC标准EN50081和CISPR Publication 22已被业界广为应用。FCC和CISPR两个标准组织制定的EMC标准限值有一定的区别,CISPR的低频传导噪声测试范围要稍宽一些,辐射发射的测试距离规定为10米,FCC规定的辐射发射测试距离可以为330米的范围。下面两个图可以清晰地比较出这两个EMC标准的区别。 图1 传导噪声限值(FCC PART15 Vs CISPR 22 图2 辐射噪声限值(FCC PART15 Vs CISPR 22上面两个图中,传导噪声电压的单位为dBuV

10、,辐射发射场强的单位为dBuV/m 。dBuV 的定义为所测到的噪声量值转化为uV 单位,再取其分贝值。uVV LOG dBuV 0.12010 最后,需要指出的是待测设备不同运行状态也会直接影响EMC 的测试结果。例如,电源设备输入高压时,设备内某些线路的dV/dt 可能就很大,或者输入低压输出满载时,设备内就可能存在di/dt 很大的环路,这两种情况下,测试的EMC 结果可能就会有一定区别。另外由于开关电源是时变线路,随着主开关器件占空比的变化,电源设备的EMI 程度也可能发生变化。所以,一般情况下,我们是拿待测设备典型应用的运行状态来测试其EMC 的结果。三. 传导干扰我们重点以开关电源

11、功率输入线上的传导干扰为例来说明。我们要测试输入线上的高频噪声,首先要做的是把高频传导噪声从低频功率输入信号中分离耦合出来,送入频谱分析仪,这部分工作是通过如下LISN 网络(线性阻抗平衡网络来实现的。电源的每根输入线上均串联了此LISN 网络。从图3中可以看出,输入线上的高频传导噪声电流通过LISN 网络里50的取样电阻,转化为对大地的噪声电压信号,送入频谱分析仪。 图3 输入为120/240V AC, 50/60Hz LISN网络传导噪声根据噪声电流的走向,又可以分为两类:差模(DM噪声和共模(CM噪声。差模噪声电流是在开关电源输入或输出的线路自身环路里流动。共模噪声电流则是在开关电源输入

12、或输出线路与大地构成的环路里流动。如图4,差模噪声的产生机理很明显,电源内主开关器件的通断,引起与之串联回路的di/dt快速变化,从而在输入或输出回路里引发高频噪声,一般电源的输入输出都会有低通滤波器,能够阻挡大部分的噪声向外传导,但总归还是有残余高频噪声或开关尖峰出现在电源的输入输出的端口上。 图4 差模(DM噪声电流产生机理如图5,共模噪声的产生机理是由于主开关器件的通断,线路内快速变化的某些电位点(如主功率MOS器件的漏极通过寄生耦合电容产生与大地(或机壳构成回路的噪声电流。电源内输入输出的任一端口对地(或机壳均会有此噪声电压的存在。 图5 共模(CM噪声电流产生机理图6给出了电源输入口

13、传导噪声测试的简单示意连线图,电源输入口的火线和零线均串接了LISN网络,噪声电流的差模分量和共模分量的参考方向在图中也标示出来了。根据电流的参考方向,火线上测得的噪声电流为CM+DM,零线上测得的噪声电流为CM-DM,各自为共模分量和差模分量的矢量和关系。因而输入每根线上的传导噪声测量结果会有差别,必须每根输入线都单独测试其传导噪声。 图6 传导噪声中的差模电流和共模电流1.抑制传导噪声的差模分量抑制差模传导噪声,常用的措施是采用低通滤波器,阻断高频噪声电流通过输入输出线向设备外传导的通路。理想的滤波器和考虑寄生参数的实际制作滤波器的线路图和衰减特性曲线如图7和图8所示。 图7 抑制差模噪声

14、的低通LC滤波器 图8 与图7对应的差模低通滤波器的衰减特性曲线这里有一个概念需要澄清一下,滤波器的衰减特性习惯上用滤波器的输入输出的正向电压量值的衰减来衡量。但是,实际上低通滤波器在抑制传导噪声的应用上,起的作用是滤波器输出输入的反向噪声电流的衰减,以抑制通过LISN网络的噪声电流。但是,不管是正向电压衰减特性还是反向电流衰减特性,其特性曲线还是一致的。差模滤波器首先要注意正确的连接方法,如图7滤波器的输入口Vin,接在电源的供电口,滤波器的输出V out接在待测电源设备的输入口,注意是差模接法,不要连在大地(或机壳上了。理想差模滤波器的衰减特性如图8a,但是实际制作的滤波器是不能忽视高频下

15、寄生参数的影响的。实际的电感会有寄生的并联电容,实际的电容则会有寄生的串联电感ESL和串联电阻ESR,如图7b所示。图8b则是考虑到寄生参数后,实际滤波器的衰减特性,可以看出,在某一频段,衰减值出现了最大值,频率再高,衰减值反而减小。针对电容的高频特性,为提高其高频下的滤波效果,通常可以用几个小容量的电容并联来替代单一的大容量电容,以改善电容的高频特性,如图7c和8c所示。电感的并联电容降低,也能很好地改善电感的高频滤波特性。图9是一单层绕组的电感寄生电容的示意图。 图9 电感线包绕组的并联寄生分布电容电感的线包绕组是单层的,并且匝与匝之间的绝缘距离尽量增大,可以保证电感的并联寄生电容能够减小

16、。另外,线包与磁芯(磁芯可以视为导体之间的杂散电容也是电感并联寄生电容的组成部分,在电感线包绕制过程中,也要注意此部分杂散电容的减小。高频特性改善后的电感及其衰减特性如图7d和图8d。最后,最为有效的且成本相对较低的改善衰减特性曲线的方法是采用两级滤波的方式,如图7e和图8e所示,在并联的电容之间加入一小电感,可以收到较好的效果。此LC低通滤波器插入到电源输入口的前端,由于其自身存在固有的谐振频率,所以,在实际应用时,需要注意避免如下可能引发的问题;1.当输入电压突加到LC滤波器上时,电容C上有可能产生振荡电压,其幅值为输入电压的两倍,对后续的变换线路可能造成损坏。2.如果噪声频率和滤波器的谐

17、振频率比较接近,噪声信号反而有可能被放大Q倍(滤波器的品质因素。3.非阻尼的LC滤波器的等效输出阻抗,接近谐振频率时,增加很快,有可能和后续变换器的输入阻抗产生振荡。为避免上述问题的发生,插入的LC滤波器一般加入阻尼系数,比较常用的加入阻尼的方法是在电容C两端并联R-C阻尼网络,如图10所示。 图10 消除LC谐振的阻尼RC网络2.抑制传导噪声的共模分量抑制传导差模噪声所采用的低通滤波措施,同样适用于共模噪声的抑制。其滤波器的设计和优化的方法是相同的,不同的是共模噪声的具体耦合通路和差模噪声是不一样的,下面例举具体的实例来说明共模抑制滤波器的设计。开关电源中一个典型的共模噪声源如图11所示。图

18、11是一单端正激变换线路,主开关器件FET以200KHz的开关频率通断,FET管的漏极脉冲电压的幅值为2Vin(400V,脉冲电压的上升沿和下降沿的时间如图所示,假设为100ns。FET的封装为TO-220,其漏极通过导热绝缘垫安装在接地的散热器上,FET的漏极与大地的寄生耦合电容一般为12 32PF。我们可取耦合电容的下限12PF。所以,如图所示从电位快速变化的FET漏极注入大地的共模噪声电流为±48mA(I=C(dV/dt。 图11 一个典型共模噪声设计计算实例图12则说明了共模噪声电流是如何通过LISN网络的取样电阻,转化为噪声电压测试值的。需注意,等效的LISN取样电阻是两个

19、50的并联,所以共模噪声的等效取样电阻为25。 图12 在LISN网络上取样到的共模噪声为抑制共模噪声,同样的思路还是在共模噪声的产生回路中插入低通滤波器,以阻断共模噪声电流的外泄。假设FET漏极电压脉冲波的占空度为0.5,幅值为400V。所以,将此脉冲波傅立叶分解后,得基波200KHz的有效值为180V,三次谐波600KHz的有效值为60V,若按照FCC的相关标准,其传导噪声的最低测试频率为450KHz,所以,影响传导测试的主要共模噪声分量是噪声源的三次谐波分量,其等效电路如图12中的右侧小图所示。从图中可以分析出,LISN网络所取样到的三次谐波噪声为68mV。对照FCC CLASSA标准的

20、限值1mV而言,此600KHz的噪声信号至少还要衰减37dB。一种办法是在共模噪声通路上串联电感,如图13所示,计算下来,电感的感量需要419mH,并且其并联寄生电容要小于0.17PF。这是不现实的。 图13 单只串联电感滤除共模噪声另一种是采取并联电容的方式,如图14所示,同样计算下来,电容的容量需要760nF,并且其串联寄生等效电感要小于93nH。这个要求倒是有可能实现,但是如果电源的输入是交流网压,从安规的要求出发,其共模电容的上限值不能超过10nF。 图14 单只并联电容滤除共模噪声所以,共模噪声的滤波器还必须采取LC二阶的低通滤波,以便L和C的取值都能在合理的范围内。正确合理的共模滤

21、波器的设计如图15所示。需注意共模电容的接法是与大地相接,与差模电容的接法是有区别的。 图15 实际应用的LC共模低通滤波器共模滤波为避免LC谐振,同样可以加入阻尼措施,一般做法是把共模电容拆分为两个小电容并联,在其中的一个共模电容上,串联合适的阻尼电阻。图16是典型的抑制传导差模噪声和共模噪声的EMC滤波电路。输入功率能量流的方向是从左往右,而噪声信号的传导方向,则是从右向左,从电源内部向交流输入线上传导。如图所示,从右往左,Cd1和Ld1构成主要的DM滤波;Cc1和Lc1构成共模滤波;Cd2和共模电感Lc1的漏感构成第二级差模滤波,滤除差模的高频分量;Ln和Cn形成开关频率的串联谐振,滤除

22、开关频率的差模噪声,与之串联的Rn起到阻尼和扩大串联谐振带宽的作用。最后,Cd3和Cc2构成最后一级端口处的差模和共模滤波,滤除噪声的高频分量。 图16 开关电源典型的输入EMC滤波电路3.其他共模噪声源及其抑制。除了主开关器件FET的漏极以外,与功率管安装在一起的散热器也有可能成为共模噪声源。如果散热器足够小,一般建议整个散热器能全部容纳到电源整机机箱内。另外,把散热器与线路原边或副边稳定的固定电位电气短路,不要把散热器同机壳短路,避免散热器上噪声串入地回路。注意,此时的散热器与功率管的管壳是绝缘的。图17是散热器安装的示意图。 图17 不接大地的散热器安装示意上述对散热器的一些处理措施,实

23、际上就是把散热器上感应的噪声信号分流到线路内某固定电位上,避免噪声串入地回路。这样的思路同样可以应用到高频开关主变压器不同绕组之间的静电屏蔽上。图18给出高频变压器静电屏蔽的正确接法。 图18 高频变压器的静电屏蔽开关电源设计中,一般都以高频变压器的副边输出回路的地作为系统的参考点。原边绕组的高压脉冲波通过原副边的寄生耦合电容,会对副边回路产生共模噪声。为降低此噪声对副边回路的影响,可以在原副边绕组之间加入静电屏蔽层,同时,把静电屏蔽层同原边线路的某固定电位短路起来。根据经验,原边功率FET开通时漏极的dV/dt大于其关断时的dV/dt 时,即开通速度大于关断速度,静电屏蔽与原边线路的固定低电

24、位相连。反之,则与高电位相连。图19是变压器的静电屏蔽的几种接法。 图19 高频变压器静电屏蔽的通用接法四.辐射干扰虽然我们在讨论干扰时,是把传导和辐射干扰分开来说明的,但是,在实际的开关电源系统中,传导干扰和辐射干扰在从干扰源到测量点的传递过程中是会多次相互转化的,实际上传导噪声通过一段导线或PCB走线向外传递过程中,也会产生高频辐射场,形成辐射干扰。基于这个原因,电源的输入输出线上可以套上高频EMI吸收磁环,用以吸收或抑制高频辐射干扰。若高频辐射场通过互感或耦合电容被另一线路所接收,那么辐射干扰就又会转化成传导干扰,只不过此时的干扰源挪了位置。需要关注的是线路中某段导体可能就是天线,天线既

25、会辐射干扰信号,同时也会接收干扰信号。辐射干扰的测试比较复杂,因为涉及噪声信号的频率为30MHz以上,所以对测试设备的要求较高。另外,测试环境还必须是电波暗室或开放测试外场,要避免外界无关的射频场干扰或自身测试射频场的反射。测试接收天线的种类,天线与待测设备之间的距离,方向和天线扫描角度都会对测试结果产生影响。图20是辐射发射测试装置的简单示意。 图20 辐射发射的测试装置示意五.辐射干扰的抑制辐射干扰根据干扰源场的属性也可分为两类,一类是由电场引起的辐射干扰,通常是由线路内某电位快速变化的dV/dt激发的。另一类是由磁场引起的辐射干扰,通常是由线路内某环路快速变化的dI/dt激发的。一般我们

26、认为涉及高压低电流的干扰源线路场合,辐射发射场主要为电场;涉及低压大电流的干扰源线路场合,辐射发射场主要为磁场。这些辐射发射的干扰场的属性,随着与干扰源距离的远近会发生相互转化。一般在离干扰源距离较近时,发射的干扰场是由所激发的干扰源来决定的,不会相互转化,电场干扰或磁场干扰是分开的,这样的区域称为近场。如果超过这一区域,则称为远场,此时辐射的电场和磁场会耦合成统一的电磁场。近场和远场区别的临界距离与辐射噪声干扰电磁波的波长有关,即/2。假设噪声干扰信号的频率为1MHz,则它的波长为300米,所以,对多数开关电源辐射发射所要考虑的干扰问题都是近场干扰。如图21,开关电源中,辐射电场干扰的地方主

27、要有散热器和高频变压器磁芯。干扰电场的屏蔽可以很方便地用闭合的导体来终止电场向外辐射,同时闭合导体会产生静电泄放电流,所以,静电屏蔽导体一般要接地,提供静电电流的泄放通路。如果是接在大地上,则会形成传导共模干扰电流,这是需要引起注意的。 图21 开关电源中主要的电场辐射发射如图22所示,开关电源中,辐射磁场干扰的地方一般为电感或变压器杂散磁场的泄漏,或者是线路内快速变化的电流环路。电流环路向外辐射磁场的强弱与环路的电感有关,而环路电感的大小则直接与环路所包围的面积成正比。所以,电源内大电流环路的布局走线需要认真考虑,力争尽量缩小电流环路面积。图23给出了变压器副边高频整流电流环路正反两种布局走线的例子。 图22 开关电源中主要的磁场辐射发射 图23 变压器副边高频整流