高频开关变换器中EMI产生的机理及其抑制方法

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（Electromagnet ic Inte rf erence，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k Hz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。

3 开关电源电磁干扰（EMI）的抑制措施形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。

因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。

首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的藕合和辐射，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，降低其对噪声的敏感度。

目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的藕合通道，常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

在实践中证明这些都是行之有效的方法。

本文通过介绍一种可行性技术从电路上改进，直接控制干扰源。

软开关技术的应用大大提高了电源的效率，在节能方面做出了巨大的贡献。

但在一些电路拓扑结构中，软开关技术的应用还大大降低了电磁干扰，准谐振反激式变换器就是最好的一个实例，电路结构如图5所示。

相对于一般的反激式变换器，准谐振只在原来电路基础上加了一个无源器件电容器，不会在电路中产生多余的电磁噪声。

通过改变控制方式，利用变压器初级电感与电容器之间发生谐振，在开关管电压波形出现波谷处开通；关断时利用电容器进行缓冲，可以大大降低开关管上的关断电压尖峰和开通电流尖峰，从而降低电磁干扰。

利用安森美的NCP1207制作的准谐振反激式开关电源，其开关管上的电压波形如图6所示：从图中可以看出开关管在开通时，电压非常低，有利于降低电流尖峰，关断时，电压尖峰小，从而电磁干扰降低。

4 结论随着开关电源的不断高频化，其电磁干扰问题越发显得重要。

在开发和设计开关电源中，如何有效抑制开关电源的电磁干扰，同时提高开关电源本身对电磁干扰的抗干扰能力（即EMC）是一个重要课题。

因此，抑制开关电源电磁干扰还有大量的工作要做，需要全体工程技术人员不懈的努力。

PWM与PFM的比较脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。

这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。

脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

PFM：（Pulse frequency modulation) 脉冲频率调制一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。

由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FMPWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化, PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的优点。

DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。

PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。

但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。

PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。

与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。

因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。

PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。

若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。

此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。

在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。

就DC-DC变换器而言目前业界PFM只有Single Phase，且以Ripple Mode的模式来实现，故需求输出端的Ripple较大。

没有负向电感电流，故可提高轻载效率。

由于是看输出Ripple，所以Transient很好，在做Dynamic 的时候没有under-shoot。

PWM有Single Phase & Multi-phase，多以Voltage Mode or Current Mode来实现，对输出Ripple没有要求，轻载时存在电感负向电流，故轻载效率较差，Compensation较Ripple相比较慢。

将PWM于PFM结合使用，当侦测到电感负电流的时候，变出现Pulse Skipping，而不再受内部Clock控制。

此时，controller will turn off both h-mos & l-mos，Coss & L会出现阻尼振荡。

每位工程师接触的领域不一样，可能有的领域是用PFM比较多，有的是用PWM比较多，但从整个电源行业来说,相信目前还是PWM用的多.上世纪80年代至今，PWM开始了在电源变换领域的“王朝统治"地位,因为每种方式都有缺点和优点.关键还是看是否适合客户需要吧在论坛看到一位网友是这样写的，我觉得写的比较形象，他说如果把PFM与PWM的电源用车来比较的话,用PFM的=奔驰,用PWM的=大众。

PFM相比较PWM主要优点在于效率1、对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,PFM的效率远远高于PWM的效率,这是PFM的主要优势.2、PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，PFM具有较快的响应速度PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难1、滤波困难（谐波频谱太宽）。