开关电源EMI噪声分析

1、微弱信号检测课程报告 组 员： 李 政 张辉 刘兴兵 班 级： 076081 指导老师： 宋俊磊 班 级： 2011.06 开关电源EMI噪声分析及抑制0 引言开关电源作为一种通用电源，以其轻、薄、小和高效率等特点为人们所熟知，是各种电子设备小型化和低成本化不可缺少的一种电源方式，已成为当今的主流电源。随着电子信息产的迅猛发展，其应用范围也必将日益扩大，需求量也会与日俱增。然而，当人们尽情享用开关电源所带来的轻、薄、小和高效率等种种便利之时，同时也带来了噪声干扰的种种危害。特别是开关电源在向更小体积、更高频率、更大功率的方向发展，其dVdt、dIdt所带来的EMI噪声也将会更大。它的传导噪声、

2、辐射噪声会波及整机的安全，有时会干扰一些CPU的指令，引起系统的误操作，严重时还会引起系统的颠覆性破坏。为此，我们在使用开关电源时，要密切关注开关电源的EMI噪声所带来的危害，采取积极的防范措施来降低EMI噪声，把EMI噪声的影响降到最低。1 电源噪声基本概念电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz，最高可150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：. 一类是从电源进线引入的外界干扰；. 一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。从形成特点

3、看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种：. 串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声。. 共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。2 电源噪声分析开关电源的电路拓扑结构很多，在中小功率开关电源模块中，使用较多的电路拓扑结构为推挽式、单端正激式、单端反激式等。典型的单端正激式开关电源电路框图如图1所示。图1 单端正激变换电路电路工作时，由PWM控制单元送出脉宽可变的脉冲信号来驱动开关管Ql，其导通关断状态不断改变。在功率

4、开关管Q1的高频开关切换过程中，流过功率开关管和高频变压器的脉冲会产生纷杂的谐波电压及谐波电流。这些谐波电压及谐波电流产生的噪声可通过电源输入线传到公共供电端，或通过开关电源的输出线传到负载上，从而对其它系统或敏感元器件造成干扰。这些噪声在电源线上传导的噪声频谱图如图2所示，从图中可以看出，在几百kHz到50 MHz的频段内，也就是在开关频率的基波和若干次谐波的频段内，干扰噪声的幅值远远超过了GJBl51A所规定的范围，因而会造成系统传导噪声等电磁兼容指标超标。图2 开关电源在电源线上的传导噪声频谱图2.1 共模噪声电流金属封装结构表面贴装开关电源模块的整个电路元器件全部都装配在基片上。PWM

5、控制片、功率开关管、整流二极管等有源器件全部采用表面贴装封装元件，输入输出的电压电流由引线送出。这样的连接方式虽然构成了电路回路，但也给电路带来了新的寄生电容Cp，这些寄生电容的分布如图3所示。图3 开关电源的寄生电容Cp分布在初级回路中，功率开关管芯片、PWM控制芯片、运算放大器芯片、电源正负输入线的走线轨迹等都会与外壳底板之间产生寄生电容Cp，寄生电容的容量大小取决于基片的厚度和它们在底板上所占据的面积。这样，在电路中，这些元器件及其走线与外壳底板之间就形成了分布电容Cp1、Cp2、Cp6等。这些分布电容在dVdt、dIdt及整流二极管反向恢复电流等共同影响下，就会引起噪声电流。这些噪声电

6、流对于输入电源线的正负之间、以及输出负载线的正负之间大小相等，相位相同，称之为共模噪声电流。共模噪声电流的大小与分布电容的大小、dVdt、dIdt等有关。2.2 初级差模噪声电流图4所示是初级差模干扰电流示意图。在初级回路中，功率开关管Q1、高频变压器原边绕组Lp与输入滤波电容Ci构成了开关电源的输入直流变换回路，这个变换回路在正常工作时，会将输入的直流能量通过高频变压器传给次级。但在功率开关管Q1开关时，高频脉冲的上升和下降所引起的基波及谐波会沿着输入滤波电容Ci传向输入供电端，这种沿着输入电源线正负端传播的噪声电流称之为初级差模噪声电流IDIFF。图4 初级差模噪声电流示意图这种差模干扰电

7、流IDIFF经输入电源线流向公共供电端，特别是当输入滤波电容Ci滤波不足时，对输入电源线的干扰很大，它还会通过公共的供电端干扰系统的其它部分，从而使其它部分的性能指标降低。2.3 次级差模噪声电流图5 次级差模噪声电流示意图次级差模干扰电流示意图如图5所示。在开关电源的次级回路中，高频变压器副边绕组Ls和整流二极管V2负责将输入的能量传给负载。输出滤波电感L、输出滤波电容Co对高频部分进行滤波。整流二极管V2的作用是将次级绕组的脉冲波整流成直流。脉冲波为高电平时，整流二极管导通，此时将能量传给负载，脉冲波为低电平时截止，输出电流通过V3进行续流。当整流二极管V2由导通变为截止时，由于二极管的载

8、流子移动会产生很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流会沿着输出滤波电感和输出滤波电容传播到负载回路中。所以，沿着输出线传播的EMI噪声电流包含有两个部分，一部分是正常传送能量时所携带的开关基频与谐波的干扰电流，另一部分是二极管反向恢复电流所引起的干扰电流。这个沿着输出线正负端传播的噪声电流是差模噪声电流IDIFF。这种差模噪声电流会给负载电路带来非常不利的影响，特别是输出滤波电容滤波不足时，表现得特别厉害，它会影响负载电路中的模拟电路的灵敏度和数字电路的门限等，严重时，还会导致电路误触发，从而引起整个系统的工作不正常。3 噪声抑制措施抑制电磁干扰（EMI）噪声应该从干扰源、传播途径和受扰设备入手

9、。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。3.1 屏蔽屏蔽可以用来控制电场或磁场从空间的一个区域到另一个区域的传播，这是克服电场耦合干扰、。磁场耦合干扰以及电磁辐射干扰的最有效手段。屏蔽的目的是利用导电材料或高磁导率材料来减少磁场、电场或电磁场的强度。通常采用两层屏蔽技术，外层屏蔽材料的磁导率不是很高，但是其达到磁饱和的磁场强度却很高，内层屏蔽材料采用高磁导率，以充分吸收噪声。图6 屏蔽示意图 发挥屏蔽效果的关键是如何设计屏蔽盒的开口和连接部分之间

10、的间隙。必须增多屏蔽盒的连接部分，从而使开口和间隙的最长的边减至最小。图7是几种良好屏蔽示例与不良示例的比较。图7 屏蔽示例比较3.2 接地为了阻止电路块之间出现噪声干扰，必须减小各个电路块之间的GND阻抗，以使来自各个电路块的GND电流不会互相干扰。通过加宽和缩短信号间的接地布局，可减小接地阻抗，这将减小对地势差。通常采用混合接板地方式，如图8所示。图8 混合接地方式对于低频地电流，小电容阻抗很大，该方式相当于并行单点接地；对于高频电流，该方式相当于多点接板地。3.3 滤波加装EMI电源滤波器是抑制EMI噪声最好的方法之一。在电源输入端加装EMI电源滤波器可以获得双重效果，它既可以抑制开关电

11、源产生的EMI干扰传向电源端，亦可抑制来自电源端的EMI噪声对开关电源造成的干扰。在输出端也可加EMI滤波器。EMI滤波器典型结构如图9所示。图9 EMI滤波器典型结构该电路由共模滤波电路和差模滤波电路组成。其中Ll和L2是绕在同一磁芯上的两只独立线圈，称为共模扼流线圈，其所绕线的圈数相同，线圈绕向相反。这样，EMI滤波器接入电路后，两个线圈内共模电流产生的磁通在磁罐内将互相抵消，因而不会使磁罐达到磁饱和，因此，两只线圈的电感值能保持不变。其中，L1、L2和两个电容Cy构成两个独立端口间的低通滤波器，可以抑制电源线上存在的共模EMI信号，以使这些共模EMI信号无法在电源线上进行传导。L3、L4是差模扼流线圈，Cx是差模滤波电容能够抑制差模信号。采用EMI滤波器后的滤波效果如图10所示。有图可知，噪声水平一限制在标准线之下。图10 加装EMI滤波器后的传导噪声频谱图EMIFIL是由村田制作所推出的产品，可有效滤除EMI噪声，其内部结构、滤波原理与EMI滤波器一样，抑制噪声过程如图11所示。图11 滤波器工作过程4 总结如何使整机通过电磁兼容测试是系统设计人员越来越关心的事情。要全面、系统的解决电磁兼容问题，就必须从最初的设计和最基础的原理入手