EMI噪声分析及EMI滤波器的设计

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。随着电子信息产业的迅猛发展，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dV／dt、dI／dt所带来的EMI噪声也将会更大。它的传导噪声、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 EMI噪声电流

    开关电源的电路拓扑结构很多，按功率开关管与高频变压器的组合工作方式可分为全桥、半桥、推挽、单端正激、单端反激等模式。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，它由功率开关管Q1、高频变压器T、整流二极管Dl、续流二极管D2、输出滤波电感L、输出滤波电容C等组成。工作时，可由PWM控制单元送出脉宽可变的脉冲信号来驱动开关管Ql，当开关管Q1导通时，再通过高频变压器将输入端的直流能量传到次级，开关管Ql截止时，高频变压器进行磁复位。通过高频变压器传来的高频脉冲经整流二极管整流成单一方向的脉动直流，这个脉动直流经输出滤波电感和滤波电容滤波后，即可送出所需要的直流电压。

    在功率开关管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。

    那么这些噪声是怎样形成的，它又是怎样传播的呢?下面以中小功率金属封装结构的表面贴装开关电源模块为例来进行分析。

1．1 共模干扰电流

    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，其内部结构示意图如图3所示。

    管壳的底板是氧化铝基片的载体，氧化铝基片的正面是布线区和元器件的组装区，背面用厚膜浆料进行金属化，然后通过焊料(如焊锡等)与管壳的金属底板相连。氧化铝基片的介电常数为8，厚度通常在0．5～1．0 mm范围内。在氧化铝基片正面的组装区，表面贴装元件(如PWM控制片、运放、基准源、MOSFET开关管、整流二极管)等通过焊料(如导电胶、再流焊的焊锡等)与布线区的焊盘相连。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4所示。

    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dV／dt、dI／dt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、dV／dt、dI／dt等有关。

1．2 初级差模干扰电流

    图5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干扰电流IDIFF。

    这种差模干扰电流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。

1．3 次级差模干扰电流

    次级差模干扰电流示意图如图6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干扰电流IDIFF。

    这种差模干扰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。

2 EMI噪声抑制及滤波

    电磁干扰的三要素是干扰源、干扰途径、干扰对象。要彻底解决电磁干扰问题，从本质上讲，就是应当减小干扰源，只有干扰源的幅值减小了，电磁干扰才会从根本上得到抑制。而要减小开关电源的EMI干扰幅值，就要使dV／dt、dI／dt减小，即降低开关速度。但这种方法会使开关电源的转换效率降低，所以，对于这种解决方法，要综合考虑各方面的因素之后才能采用。

2．1 高频变压器初级线圈的RC吸收

    单端正激开关电源的输入电压为28 V，当功率开关管、高频变换器工作时，功率开关管Ql漏极上的波形如图7所示，当功率开关管Q1由导通变为截止时，高频变压器进行谐振复位，此时它的谐振峰值为100 V。噪声尖峰瞬时可达108 V，这么高的峰值电压沿着电源输入线传导出去，会引起很强的传导干扰和辐射干扰。

    为了降低峰值电压，可在高频变压器初级线圈回路上并联一个RC吸收网络，图8所示是并联RC电路后功率开关管Ql的漏极波形，图中，其谐振峰值为60 V，噪声尖峰只有66 V。可见，并联RC吸收网络可以有效降低谐振峰值，从而大大减小对电源端的EMI干扰。

2．2 加装EMI滤波器

    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。

    EMI电源滤波器的电路结构如图9所示，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，两个线圈内差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和CY1，L2和CY2分别构成L-E和N-E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和CX则组成L-N独立端口间的低通滤波器，可用来抑制电源线上的差模EMI信号。这两方面结合起来，就可实现对电源线上共模EMI信号和差模EMI信号的抑制。

    共模电感Ll和L2一般在几mH至几十mH，共模电容Cy要在满足电路要求的条件下尽量取较大值，以便获得更好的滤波效果。差模电感一般在几十μH至几百μH，差模电容Cx要选择耐压足够高的陶瓷电容器。共模电感的磁性材料以高导磁率软磁材料效果较好，差模电感的磁性材料以具有高饱和磁通密度的金属铁粉芯效果较好，最好不要用开口铁氧体材料。

    加装EMI电源滤波器后，电源线上的噪声频谱如图10所示。和图2相比较，加装EMI滤波器对EMI噪声的抑制十分明显，在所有的频段内，噪声均得到了抑制，而且全部符合军标要求。

2．3 EMI电源滤波器的安装

    加装EMI电源滤波器一定要注意正确的安装方式，错误的安装方式不但起不到抑制噪声的作用，有时还会适得其反。根据EMI滤波器的特性以及开关电源的特点，在安装EMI滤波器时，主要需注意两个方面的问题。第一，EMI电源滤波器的外壳必须接地，而且必须和开关电源的外壳地连接在一起，这是因为EMI电源滤波器的共模滤波电容都连接在产品的外壳上，只有EMI电源滤波器的外壳与机壳相连，滤波器的共模滤波电路才会起作用，这样也才能将开关电源产生的共模干扰电流滤除干净，而且还要用较粗的导线将滤波器外壳与机壳相连，同时接地阻抗越低，滤波效果越好；第二，EMI电源滤波器必须安装在电源的入口端，且应将滤波器的输入输出端尽量远离，同时要避免输入输出线绕过滤波器而产生交叉干扰。

3 EMI噪声标准

     EMI噪声的极限标准有美国的FCC-Paxt-15、德国的VDE-087l、IEC的CISPR-Pub22等，军用标准有美国的MIL-STD-461，我国的军用标准有GJBl5lA等。这些标准都规定了系统或整机中不同频段的EMI噪声在电源输入线上的传导极限。同时，各标准也都规定了应该测量的传导噪声的频率范围，具体见表1所列。相应的测试标准有CISPR-Publ7、GJBl52A等。

    电磁电容的测试主要包含传导和辐射两个大项，而传导和辐射中又包含发射度和敏感度两项，所以，一共扩展为传导发射度、传导敏感度、辐射发射度、辐射敏感度等四个子项。在GJBl51A-97规定的有关开关电源方面的测量项目如表2所列。

4 结束语

    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。研究表明，电磁兼容设计必须从系统研制的初期(即方案论证阶段)开始考虑，并应贯穿于研制过程的各个阶段。而且电磁兼容设计是实现系统电磁兼容的关键环节。有资料表明，若在产品开始研制时进行电磁兼容设计，大约90％的传导和辐射干扰都可得到控制，由此可见，从EMI噪声的产生开始分析，从中找到抑制EMI噪声的方法，并孰知有关的EMI噪声测试方法，对整机通过电磁兼容测试是大有裨益的。