1.1 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

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