开关电源中开关管及二极管EMI抑制方法分析研究

摘要：随着电子技术的不断进步,开关电源向高频化、高效化方向迅猛发展，EMI抑制已成为开关电源设计的重要指标。本文结合开关电源中开关管及二极管EMI产生机理，列举出：并接吸收电路、串接可饱和磁芯线圈、传统准谐振技术、LLC串联谐振技术四种抑制EMI的方法，并对其抑制效果进行比较分析。

关键词：EMI RC、RCD电路 磁芯线圈 准谐振 LLC谐振

1  引言

    电磁干扰( EMI) 就是电磁兼容不足,是破坏性电磁能从一个电子设备通过传导或辐射到另一个电子设备的过程。近年来，开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等优点而迅速发展起来。开关电源已逐步取代了线性稳压电源，广泛应用于计算机、通信、自控系统、家用电器等领域。但是由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt和高dv/dt，使开关电源存在非常突出的缺点——容易产生比较强的电磁干扰(EMI)信号。EMI信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。所以，如何降低甚至消除开关电源中的EMI问题已经成为开关电源设计师们非常关注的问题。本文着重介绍开关电源中开关管及二极管EMI的四种抑制方法。
    
2  开关管及二极管EMI产生机理 

    开关管工作在硬开关条件下开关电源自身产生电磁干扰的根本原因，就是在其工作过程中的开关管的高速开关及整流二极管的反向恢复产生高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。开关管工作在硬开关时还会产生高di/dt和高dv/dt，从而产生大的电磁干扰。图1绘出了接感性负载时，开关管工作在硬开关条件下的开关管的开关轨迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区，如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。由于开关管的高速开关，使得开关电源中的高频变压器或储能电感等感性负载在开关管导通的瞬间，迫使变压器的初级出现很大的浪涌电流，将造成尖峰电压。开关管在截止期间，高频变压器绕组的漏感引起的电流突变，从而产生反电势E=-Ldi/dt，其值与电流变化率(di/dt)成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上形成关断电压尖峰，从而形成电磁干扰。此外，开关管上的反向并联二极管的反向恢复特性不好，或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。由整流二极管的反向恢复引起的干扰源有两个，它们分别是输入整流二极管和输出整流二极管。它们都是由电流的换向引起的干扰。由图2表明，t0=0时二极管导通，二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降，而会出现一个快速的上冲。其原因是在开通过程中，二极管PN结的长基区注入足够的少数载流子，发生电导调制需要一定的时间tr。该电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声。而在关断时，存在于PN结长基区的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到平衡状态从而导致很大的反向恢复电流。当t=t1时，PN结开始反向恢复，在t1-t2时间内，其他过剩载流子依靠复合中心复合，回到平衡状态。这时管压降又出现一个负尖刺。通常t2《t1，所以该尖峰是一个非常窄的尖脉冲，产生的电磁噪声比开通时还要强。因此，整流二极管的反向恢复干扰也是开关电源中的一个重要干扰源。


3  EMI抑制方法 

    di/dt和dv/dt是开关电源自身产生电磁干扰的关键因素，减小其中的任何一个都可以减小开关电源中的电磁干扰。由上述可知，di/dt和dv/dt主要是由开关管的快速开关及二极管的反向恢复造成的。所以，如果要抑制开关电源中的EMI就必须解决开关管的快速开关及二极管的反向恢复所带来的问题。

3.1 并接吸收装置
    采取吸收装置是抑制电磁干扰的好办法。吸收电路的基本原理就是开关在断开时为开关提供旁路，吸收蓄积在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC、RCD。此类吸收电路的优点就是结构简单、价格便宜、便于实施，所以是常用的抑制电磁干扰的方法。 
 
    （1）并接RC电路
    在开关管T两端加RC吸收电路,如图3所示。在二次整流回路中的整流二极管D两端加RC吸收电路,如图5所示,抑制浪涌电流。
    （2）并接RCD电路
    在开关管T 两端加RCD吸收电路,如图4所示。