如何降低EMI.doc

针对开关电源设计阶段应考虑的 EMC 问题,介绍了 PCB 及其结构寄生参数提取和频域仿真的方法,在开关电源设计阶段对其传导 EMI 进行预测,定位开关电源传导EMI 传播路径的影响因素,在此基础上给出开关电源 PCB 及其结构设计的基本原则。对开关电源 EMI 预测过程中需要注意的问题以及降低开关电源传导 EMI 的方法策略进行了分析和总结。 1引言传统的 EMC 的补救办法只能增加额外的元器件,而增加元件有可能影响原始的控制环带宽,造成重新设计整个系统的最坏情况,增加了设计成本。为了避免出现这样的情况,需要在设计过程中考虑 EMC 的问题,对开关电源的 EMI 进行一定精度的分析和预测,并根据干扰产生的机理及其在各频带的分布情况改进设计,降低 EMI 水平,从而降低设计成本。 2 开关电源 EMI 特点及分类对开关电源传导电磁干扰进行预测,首先需要明确其产生机理以及噪声源的各项特性。由于功率开关管的高速开关动作,其电压和电流变化率都很高,上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波,所以产生的电磁干扰强度大; 开关电源的电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近; 由于开关管的开关频率从几十 kHz 到几 MHz ,所以开关电源的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中,传导干扰会通过噪声传播路径注入电网,干扰接入电网的其他设备。开关电源传导干扰分为 2大类。 1)差模(DM) 干扰。 DM 噪声主要由 di/dt 引起,通过寄生电感, 电阻在火线和零线之间的回路中传播,在两根线之间产生电流 Idm ,不与地线构成回路。 2)共模(CM) 干扰。 CM 噪声主要由 dv/dt 引起,通过 PCB 的杂散电容在两条电源线与地的回路中传播,干扰侵入线路和地之间,干扰电流在两条线上各流过二分之一,以地为公共回路; 在实际电路中由于线路阻抗不平衡,使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。 3 开关电源 EMI 的仿真分析从理论上来讲,无论是时域仿真还是频域仿真,只要建立了合理的分析模型, 其仿真结果都能正确反映系统的 EMI 量化程度。时域仿真方法需要建立变换器中包含所有元件参数的电路模型,利用 PSPICE 或Saber 软件进行仿真分析,使用快速傅里叶分析工具得到 EMI 的频谱波形,这种方法在 DM噪声的分析中已经得到了验证。然而开关电源中的非线性元件如 MOSFET , IGBT 等半导体器件,其非线性特性和杂散参数使模型非常复杂,同时开关电源电路工作时其电路拓扑结构不断改变,导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究 CM噪声时,必须包含所有的寄生元件参数,由于寄生参数的影响, FFT 结果和实验结果很难吻合; 开关功率变换器通常工作在很大的时间常数范围内,主要包括 3 组时间常数:与输出端的基本频率有关的时间常数(几十ms); 与开关元件的开关频率有关的时间常数( 几十μs); 与开关元件导通或关断时的上升时间和下降时间有关的时间常数(几ns) 。正因如此,在时域仿真中,必须使用非常小的计算步长,并且需要用很长时间才能完成计算; 另外,时域方法得到的结果往往不能清晰地分析电路中各个变量对干扰的影响,不能深层解释开关电源的 EMI 行为,而且缺乏对 EMI 机理的判断,不能为降低 EMI 给出明确的解决方案。频域仿真是基于噪声源