2.1 功率变换器的电磁干扰特性

大家好 在第二部分我们主要介绍 功率变换器的电磁干扰的一些问题 那么由于电磁干扰的内容很广 所以呢我主要是介绍一下 电磁干扰与我们磁性元件的一些关系 首先我们来看一看 功率变换器中电磁干扰的来源 讲到电磁干扰 我们就要讲到三要素 第一个就是干扰源 传输路径 和被扰体 那么对于被扰体来说 在我们 EMI 测试里面就是一个 LISN 那么 LISN 起的一个作用是什么呢 它一个是保证阻抗的稳定 由于电网的阻抗是在不断变化的 所以呢我们需要用一个 线性阻抗稳定网络 来保证这个阻抗 在我们测量的范围内 它都是 50 欧的阻抗 第二个呢 LISN 用来拾取噪声的信号 把它的信号拾取出来以后 送到我的接收机里面去检测 再一个呢它也能够滤除电网 对我们开关电源的一些干扰 这是 LISN 的作用 那么滤波器呢就是拿来阻断 噪声的传输路径的 那么最重要的呢就是一个干扰源 由于我们的开关功率变换器 是工作在非线性模式下 也就是在开关的零跟一之间 是一种强非线性的 所以呢它不可避免地存在着噪声的干扰 那么这个干扰源呢 它就会通过很多的路径 对我的电网产生干扰 那么这里面包括了传导部分 还包括了辐射部分 那么我们呢来看一看 整个电磁兼容问题我们叫做 EMC 那么它又分成电磁敏感度 和电磁干扰这两部分 那么对我们开关电源来说 当然我们也要关注电磁敏感度 也就是说它不能被外部的干扰 使得它不能正常工作 但是呢我们更多的 是关注我们开关电源本身 对电网或者对其他设备的一个干扰 所以我们主要讲的是 EMI 的问题 那 EMI 呢又分成传导干扰 和空间干扰这两部分 那么传导干扰就是通过一个导体 通过导线来传播的干扰 那么传导干扰呢 又分为差模干扰和共模干扰这两部分 那么空间干扰又分为辐射干扰 也就叫做远场干扰 一个是感应干扰 那么感干扰呢主要是在附近 我们叫做近场感应干扰 那么近场感应干扰呢 又分为电场耦合跟磁场耦合这几个部分 那么对我们来说 我们主要关注的是差模干扰 共模干扰 跟电场耦合跟磁场耦合这两部分 那么至于远场干扰 那个是属于更高的频率范围的 我们这一次就不涉及它 那我们来看一看 开关电源存在的几种干扰 首先我们看一看差模传导电磁干扰 也叫做 Differential Mode Conduction Emission 那么由于我们开关电源 需要通过电感来储能和放能 所以呢电感电流 必然存在一个电流的纹波 那么这个电流的纹波呢 就在 L 线和 N 线上 形成一个差模噪声 那么这就是一个电感 那么由于加在电感上的电压 都是开关波形 所以呢它就会有电流的纹波出现 那么这个纹波就形成了我们的差模干扰 那差模干扰呢 又发生在 L 线根 N 线之间的一个干扰 那么我们的功率变换器 由于它里面存在电感 所以它有的干扰源 那么它会向我的电网产生干扰 同时呢也会向我的负载产生干扰 所以我们一般在开关 这个开关电源的前面会加滤波器 那么在输出负载前面呢也会加一些滤波器 就是为了抑制这部分的干扰 另一干扰呢就是共模传导的电磁干扰 也叫做 Common Mode Conduction Emission 那么它是什么造成的呢 它是由于开关电源开关 on off 造成开关上面两端电位的跳变 那么这些电位的跳变呢 又会通过对地的也就是G 对地的分布电容形成一个位移电流 那么这个位移电流呢 是在 L N 线之间和 G 之间 形成的一个共模噪声 比如说 C 这是一个分布电路 那么由于分布电容两端的电位是跳变的 所以它就会产生蓝色的 这样的一个电流波形 那么这个呢就是我们叫做共模干扰 那么共模干扰呢 它是发生在 L N 和大地之间的 所以呢它是通过机壳 或者通过电网的大地形成一个回路了 它同样他会干扰到电网 它也会干扰到负载 那么再一个干扰呢 就属于辐射的电磁干扰 也就是说 Radiation Emission 那么由于存在着 开关电源里面存在着高频的噪声 在输入线和输出线之间 输出线和输入线也存在着高频的信号 那么这些信号呢只要频率足够高 它就会产生辐射 那么辐射出来以后呢 就通过我们的天线接收下来 那么这一部分呢叫做辐射噪声 所以由于存在电位跳变和噪声电流 在开关电源本体 这个是本体 输入线 这是输入线 和输出线 这是输出线 形成高频辐射噪声 那么这个是属于射频的问题 除此以外呢 还存在一个近场的电磁耦合 也就是说由于我们存在杂散电容和磁耦合 开关电源里面有很多的磁性元件 开关电源里面有很多的金属导体 有机壳 那么开关电源或者滤波器中 跟导体和元器件之间 就存在着耦合电容和耦合电感 也就是互感 那么这样呢 就会形成一个近场的电磁耦合 比如说这两个电感 一个是共模电感 一个是输出滤波电感 那么如果它们两个之间耦合了 那么这个滤波电感上面的纹波 就会耦合到我的共模电感上面来 那么这个共模这个耦合呢 在开关功率变换器内部存在耦合 在滤波器内部的不同的磁性元件间 它也存在着近场耦合 同时呢功率变换器里面的磁元件 跟我滤波器里面的磁元件呢 也存在着近场耦合 所以呢近场耦合它是通过空间来耦合的 看不见摸不着 但是呢在开关电源里面的干扰 它起了一个很大的一个作用 那我们看看功率变换器噪声源的频谱特性 这个是一个经典的典型的 这个开关电源的电压波形 那么 Ton 是电压的上升沿上升时间 Toff 是下降时间 那么除了这个以外呢 还往往会有一些震荡 这是由于分布参数 分部漏感的存在 往往会存在一些震荡 那么我们就把它画为这样的一个 典型的波形 那么我们把这个波形来做傅里叶分解 就可以得到它的一个包络线 它的谐波的一个包络线 它基本上是呈现这样的一个分布的规律 主要有两个参数 一个是 F0 这个频率点 就是跟脉宽有关系 也就是 TPW 有关系 脉宽越小这个频率点就越高 再一个转折点呢 F1 它是跟 TI 关系 也就是说跟上升沿跟下降沿有关系 如果我开关的上升沿下降非常快 也就说这个时间很短 那么这个 F1 呢就会很长 就会往高频走 这是它的两个的频率点 那我们还看到两个的斜率 一个是以每十倍频 -20dB 在衰减的一个斜率 一个是每十倍频 -40dB 在衰减的一个斜率 这两个斜率是固定的 但主要取决于 这个开关的占空比时间 和 Ton Toff 这个决定了我整个 噪声源的一个频谱特性 那除此以外呢还有一些震荡 那么这个震荡呢 也会在我们频谱里面呢表现出来 所以 TPW 它决定了低中频段的噪声 它是在低中频段 但是呢 Tr 跟 Tf 它决定了高频段噪声 那么电压的震荡 又决定了噪声的一个尖峰 所以说呢这个整个开关元的噪声 它是呈现出这样的一个特性 那么我们对电磁干扰 主要的抑制对策是什么呢 我这边把它整成几个部分 第一个是功率变换器 当然如果我们 功率变换器本身的噪声就能够小 就是我的噪声源小 那这是最好的 那么它从几个方面来考虑 一个呢是选择一个合适的电路拓扑 比如说我会减少电位的跳变点 比如采用改进的无桥 PFC 电路 那么它的电位跳变点呢就比较少 理论上讲 开关电源有两个跳变点 一个是原边的跳变点 一个是副边的跳变点 但是某些电路 它可能有不止两个跳变点 所以我们尽量用少的跳变点的电路 那么它的共模噪声自然而然就会小 再一个呢就是减小 输入跟输出的电流纹波 那么这个简单的办法就是增大滤波电感 但是呢这个是得不偿失的一种做法 那么在电路上面呢 往往可以采用多路交错 让两路的纹波抵消 使得主纹波降低 也可以通过磁集成的零纹波技术 把我的输出或者输入电流纹波把它降低 这个是从电路上考虑 再一个呢是从噪声源本身上考虑 也就是我开关上面的 电压电流的尖峰来考虑 那么第一个呢是减缓开关的速度 把我的 Tr Tf 的时间呢增大 那我的噪声就会降低 比如说采用这个增大驱动电阻 在管脚上套上磁珠 增大开关电容等等 但是呢这些方法呢 都会带来附加的损耗 也会增大我们开关的损耗 再一个呢就是降低电压电流的尖峰 比如说增加一个吸收电路 RCD 二极管的 RD 等等的这些 这些吸收电路来吸收 那么这些方法呢当然可以用 但是呢它也会带来损耗的增加 再一方面就是查阅 PCB 布局 那么这个从原则上讲 它就是要尽量减小高频回路的面积 减小原边高频回路的面积 减小副边高频回路的面积 那么这样呢都可以减小我的噪声干扰 再一个呢就是降低耦合干扰的路径 就是把耦合干扰的路径让它离远一点 让它们耦合会弱一点 再一个办法就是采用电磁屏蔽技术 那么这个屏蔽呢包括机壳的屏蔽 也就是说我们电源整机要有一个机壳 这个机壳是带屏蔽的 这金属的导体把它屏蔽起来 再一个呢我们原件本身要屏蔽 比如说我们的变压器 外面要加一些 这个金属的屏蔽层是吧 把它包起来 那么这个屏蔽呢 又分为电场屏蔽跟磁场屏蔽 那么除了这个以外呢 从功率变换器本身考虑以外呢 我们还可以从功率的磁性元件上面来考虑 那么待会我们这个会讲 那么还一方面呢 就是从滤波器上面来考虑 那么滤波器呢不外乎一个拓扑结构 如果你噪声过不了 需要增大 那么我就要增加滤波器的级数 那么再一个呢就是元件考虑 那么元件考虑呢 主要就是把电容量用足 我只要在噪声这个漏电流允许范围内 我把电容用足是吧 然后再选择合适的电感量 那么除了这个以外呢 我们还可以从滤波电感 从滤波元件的电磁耦合之间去想办法 那再一个呢就是近场耦合问题 那么这就要解决元件间的电磁耦合的问题 那么实际上现在在很多滤波器的 debug 里面呢 近场耦合是一个很重要的一个方面 那么第一部分我们就说到这里