2 開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理

　　開關(guān)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?yàn)檎�弦波電源通過整流器后變成單向脈動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧波(特別是高次諧波)會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(guān)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(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲(chǔ)能電感在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流，將造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

　　(2)由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢(shì)

　　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(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，形成傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級(jí)，還會(huì)傳導(dǎo)向配電系統(tǒng)，影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)，有一個(gè)反向電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二級(jí)管稱為硬恢復(fù)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(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。

　　對(duì)上述開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI所采取的抑制措施，主要有正確選擇半導(dǎo)體器件、變壓器鐵芯材料和在開關(guān)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(guān)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(duì)開關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號(hào)，均可用差模和共模信號(hào)來表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾;共模干擾在導(dǎo)線與地(機(jī)殼)之間傳輸，屬于非對(duì)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(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號(hào)控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關(guān)電源的工作頻率約為10kHz～100kHz。EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10kHz算起。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，只要選擇適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娐坊蚓W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就可得到滿意的效果。

圖1為開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　該濾波器是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，其中L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的2只獨(dú)立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈(LCM)，L3、L4是獨(dú)立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負(fù)載端接被干擾設(shè)備，那么L1和Cy，L2和Cy就分別構(gòu)成L—E和N—E兩對(duì)獨(dú)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(hào)，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。

　　共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示，它由LCM和Cy組成。圖中右邊是開關(guān)電源的共模噪聲等效電路，并聯(lián)電容Cp包括開關(guān)管集電極和地之間的分布電容及高頻變壓器初次級(jí)間的分布電容;Rp是電流源的并聯(lián)電阻。開關(guān)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(gè)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(huì)使磁環(huán)達(dá)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(duì)均勻，兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對(duì)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(dú)立差模抑制電感與Cx電容器又組成L—N獨(dú)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(hào)。

　　差模干擾信號(hào)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(guān)S表示橋式整流二極管導(dǎo)通與否，因此高低兩個(gè)等效電路是不能同時(shí)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(hào)濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(dú)立的差模抑制電感;CLL是濾波網(wǎng)絡(luò)選用的并聯(lián)電容。圖4(b)與圖4(a)相比，增加了一個(gè)CLL2，其數(shù)值的選擇使濾波網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載構(gòu)成失配狀態(tài)。

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

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