开关电源EMC设计研究现状及发展

        关键词：开关电源；电磁兼容

        引言

        电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展，一方面也对电源产品提出了越来越高的要求。体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源”已成为下一代电源产品的发展趋势。功率密度的急剧增大导致电源内部电磁环境越来越复杂，因之产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的EMC性能指标直接关系到其推向市场的时间。

        电磁兼容(EMC)是指在有限的空间、时间和频谱范围内各种电气设备共存而不引起性能下降，它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。EMI是指电气产品向外发出噪声，EMS则指电气产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁噪声环境的影响，也不对周围环境造成电磁干扰。

        开关电源EMI的特点

        在已发表的有关电力电子EMI问题的大量论文中，几乎有一半是研究开关电源中的EMI问题。这是因为开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高，功率开关管的高速开关动作，不可避免地要导致严重的EMI。但是与数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关电源呈现出一些不同于数字电路的EMI特性。它们主要表现为：

        ●  作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；

        ●  干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；

        ●  开关频率不高(从几十千赫到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；

        ●  印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。

        开关电源EMC研究的几个问题

        开关电源EMC是一门综合性的学科，涉及的学科包括器件物理、电路理论、电磁场理论、测试技术等，它所需要研究的课题也相当广泛。目前所研究的问题主要包括以下几个方面：

        ●  EMI测试技术；

        ●  无源器件和PCB寄生参数的抽取和高频建模；

        ●  开关电源EMI的机理和建模；

        ●  开关电源EMI抑制技术；

        ●  印刷线路板布线的EMC设计等。

        下面分别就上述几方面的问题加以讨论和分析。

        EMI测试技术

        传导EMI分为差模和共模两种传播模式，但按照传导EMI测试标准测量得到的干扰电平是两者之和，因此有必要将其区分开，为EMI滤波器的设计提供指导。射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络是诊断差模、共模干扰的三种方法。用射频电流探头是测量差模、共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单，测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制作要求很高。图1所示为两种测量差模和共模干扰的噪声分离网络，其中，图(a)通过在变压器副边加减两线上的干扰电压来分别得到差模电压和共模电压，而图(b)则是通过在变压器原边隔离共模电流和差模电流来得到差模电压和共模电压。

        无源器件和PCB寄生参数的抽取和高频建模

        在EMI的频率范围内，常用的无源器件都不能再被认为是理想的，它们的寄生参数严重影响着它们的高频特性。在各种无源器件中，电阻器、电感器和电容器的高频等效寄生参数可用高频阻抗分析仪测得。

        对变压器的高频建模非常重要，特别是对共模EMI电平的高低有着显著的影响。遗憾的是，目前许多电路仿真器的模型库中尚未考虑到集肤、邻近效应以及非线性和磁滞问题。特别是变压器的许多寄生参数，例如：漏感，原付边之间的分布电容等，都必须加以考虑，如图2所示。对这些绕组特性参数，通常采用数值计算或实验测量的方法来得到。

        使用Ansoft公司的Maxwell仿真软件，输入变压器的绕组和磁芯的几何和电磁参数，就可以利用有限元的方法计算出各寄生电容。

        图3中所示为仿真时变压器工作状态图。当计算原边自电容C11时，原边施加电压V1，使得原边匝间电压均匀分布，副边则开路；当计算副边自电容C22时，副边施加电压V2，原边开路；当计算原副边间互电容时，原边绕组两端接地，副边两端短接后接电势Voff，使得副边绕组和原边绕组存在电压Voff，从而可以计算出原副边之间的静电储能。计算高频变压器的漏感与计算寄生电容的方法类似。实验测量的方法是目前研究的较多的一种，其复杂程度受所建立的变压器高频模型的复杂程度决定，对不同的模型具体采用 。