高频开关变换器中EMI产生的机理及其抑制方法

1 前言

开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，广泛用于通信、自动控制、家用电器、计算机等电子设备中。但是，其缺点是开关电源在高频条件下工作，产生非常强的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI），经传导和辐射会污染周围电磁环境，对电子设备造成影响。本文从开关电源的电路结构、器件进行分析，探讨了电磁干扰产生的机理及其抑制方法。

2 开关电源电磁干扰（EMI）产生的机理

开关电源的电磁干扰，按耦合途径来分，可分为传导干扰和辐射干扰。按噪声干扰源可分为两大类：一类是外部噪声，例如通过电网传输过来的共模和差模干扰、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等；另一类是开关电源自身产生的电磁干扰，如开关管、整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。其中外部噪声产生的影响可以通过电源滤波器进行衰减，本文不做讨论，仅讨论开关电源自身产生的电磁噪声。

常规交流输入的开关电源主要结构可以分为四大部分，其框图如图1所示。



其中输入与整流滤波部分、高频逆变部分、输出整流与滤波部分是产生电磁干扰的主要来源。以下将通过对各部分电压、电流波形的分析，阐明电磁噪声产生的原因。

2．1 工频整流器引起的电磁噪声

一般开关电源为容式滤波，在输入与整流滤波部分电磁噪声主要是由整流过程中造成的电流尖峰、电压波动所引起的。正弦波电源经过电源滤波器进行差模、共模信号衰减后，由整流桥整流、电解电容滤波，得到的电压作为高频逆变部分的输入电压。由于滤波电容的存在，使整流器不象纯整流那样一组开通半个周期，而是只在正弦电压高于电容电压时才导通，造成电流波形非常陡峭，同时电压波形变得平缓。电流、电压的波形如图2所示。



根据Fourier级数，图中的电流、电压波形可分解为直流分量和一系列频率为基波频率整数倍的正弦交流分量之和。通过电磁场理论以及试验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会产生传导干扰和辐射干扰。通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰，在空间产生电场、磁场向外辐射产生的干扰称之为辐射干扰。

2．2 变压器与开关管引起的电磁噪声

逆变部分是开关稳压电源的核心，用以实现变压、变频以及完成输出电压的调整，主要有开关管和高频变压器组成。电磁噪声主要是由于变压器的漏感、分布电容以及开关管的开通、关断造成。开关电源中的高频变压器用作隔离和变压，变压器在理论分析时，通常认为是理想变压器，但是在实际应用中变压器存在漏感，而且在高频的情况下，还要考虑变压器层间的分布电容。高频变压器的等效电路模型如图3所示。



从图中可以看到变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。而且如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式通过变压器的寄生电容传到交流电源中。

开关电源的体积、重量减小的根本原因是使功率半导体器件工作在高频开关状态，但导致的结果是产生了非常严重的电磁干扰。其原因是在工作过程中产生高的di/dt和dv/dt，以及变压器漏感，电路寄生电感与开关管寄生电容之间的高频震荡。开关电源中的电压波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源电压波形等。频率高，一般在kHz以上，上升、下降时间短，dv/dt大，而且通过傅里叶展开以后，包含的谐波频率非常高，很容易污染周围的电磁环境。

开关管（比如MOSFET ）在开通关断时，也会造成很强的电磁干扰。由于变压器初级线圈漏感，电路寄生电感的存在，致使一部分能量没有从一次侧传输到二次侧，漏感中储存能量，关断瞬间电流发生突变，di/dt非常高，产生反电动势。由电磁场理论可知：E=-Ldi/dt。

其值与电流的变化成正比，与电感成正比。因此漏感会产生非常高的反电动势叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生传导性电磁干扰。漏感与开关管之间的寄生电容还会发生震荡，影响电路中的电磁环境，产生噪声。开关管开通时，寄生电容瞬间放电，产生尖峰电流，初级线圈也会造成浪涌电流的产生，影响电磁环境。

2．3 输出整流二极管反向恢复造成的电磁噪声

二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向电流，反向恢复电流脉冲的幅度、脉冲宽度和形状与二极管本身的特性及电路参数有关，而且恢复到零点的时间与结电容等因素有关。高频整流二极管由于反向恢复电流脉冲的幅度和di/dt都很大，它们在引线电感和与其相连接的电路中都会产生很高的感应电压，从而造成很强宽频的瞬态电磁噪声。二极管反向恢复过程电压、电流波形如图4所示。



在高频开关电源、高频DC/DC谐振变换器以及功率因数校正电路等重复开关频率较高的变流器电路中，都要用到快恢复二极管。它们的反向恢复时间通常在纳秒量级，因此通过引线电感造成的瞬态电磁噪声是不可忽视的。特别是在反激式开关电源中，二极管反向恢复电流尖峰还有可能从次级传到初级，在开关开通时，形成一个电流尖峰，不仅容易烧毁开关管，还造成电磁噪声。