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教你如何通俗理解開關電源EMI

鉅大LARGE  |  點擊量:1069次  |  2020年05月14日  

先簡單介紹一下下EMI:EMI翻譯成中文就是電磁干擾。其實所有的電器設備,都會有電磁干擾。只不過嚴重程度各有不同。電磁干擾會影響各種電器設備的正常工作,會干擾通信數據的正常傳遞,雖然對人體的傷害尚無定論,但是普遍認為對人體不利。所以很多國家和地區對電器的電磁干擾程度有嚴格的規定。當然電源也不例外的,所以我們有理由好好了解EMI以及其抑制方法。

下面結合一些專家的文獻來描述EMI.


首先EMI有三個基本面


噪音源:發射干擾的源頭,如同傳染病的傳染源


耦合途徑:傳播干擾的載體,如同傳染病傳播的載體,食物,水,空氣.......


接收器:被干擾的對象,被傳染的人。


缺少相同,電磁干擾就不成立了。所以,降低電磁干擾的危害,也有三種辦法:


1.從源頭抑制干擾。


2.切斷傳播途徑


3.增強抵抗力,這個就是所謂的EMC(電磁兼容)


解釋以下名詞:


傳導干擾:也就是噪音通過導線傳遞的方式。


輻射干擾:也就是噪音通過空間輻射的方式傳遞。


差模干擾:由于電路中的自身電勢差,電流所產成的干擾,比如火線和零線,正極和負極。


共模干擾:由于電路和大地之間的電勢差,電流所出現的干擾。


通常我們去實驗室測試的項目:


傳導發射:測試你的電源通過傳導發射出去的干擾是否合格。


輻射發射:測試你的電源通過輻射發射出去的干擾是否合格。


傳導抗擾:在具有傳導干擾的環境中,你的電源能否正常工作。


輻射抗擾:在具有輻射干擾的環境中,你的電源能否正常工作。


首先來看,噪音的源頭:


任何周期性的電壓和電流都能通過傅立葉分解的方法,分解為各種頻率的正弦波。


所以在測試干擾的時候,要測試各種頻率下的噪音強度。


那么在開關電源中,這些噪音的來源是什么呢?


開關電源中,由于開關器件在周期性的開合,所以,電路中的電流和電壓也是周期性的在變化。那么那些變化的電流和電壓,就是噪音的真正源頭。那么有人可能會問,我的開關頻率是100KHz的,但是為何測試出來的噪音,從幾百K到幾百M都有呢?


我們把同等有效值,同等頻率的各種波形做快速傅立葉分析:


藍色:正弦波


綠色:三角波


紅色:方波


可以看到,正弦波只有基波分量,但是三角波和方波含有高次諧波,諧波最大的是方波。


也就是說假如電流或者電壓波形,是非正弦波的信號,都能分解出高次諧波。


那么假如同樣的方波,但是上升下降時間不同,會怎么樣呢。


同樣是100KHz的方波


紅色:上升下降時間都為100ns


綠色:上升下降時間都為500ns


可以看到紅色的高次諧波明顯大于綠色。


我們繼續分析下面兩種波形,


A:有嚴重高頻震蕩的方波,比如MOS,二極管上的電壓波形。


B:用吸收電路,把方波的高頻振蕩吸收一下。


分別做快速傅立葉分析:


可以看到在振蕩頻率(大概30M)之后,A波形的諧波,要大于B波形。


再來看,下面的波形,一個是具有導通尖峰的電流波形,一個沒有導通尖峰。


對兩個波形做傅立葉分析:


可以看到紅色波形的高次諧波,要大于綠色波形,繼續對兩個波形,作分析


紅色:固定頻率的信號,綠色:具有稍微頻率抖動的信號


可以看到,頻率抖動,可以降低低頻段能量。進一步,放大低頻段的頻譜能量:


可以看到,頻率抖動就是把頻譜能量分散了,而固定頻率的頻譜能量,集中在基波的諧波頻率點,所以峰值比較高,容易超標。


最后稍微總結一下,假如從源頭來抑制EMI。


1.關于開關頻率的選擇,比如傳導測試150K-30M,那么在條件容許的情況下,可選擇130K之類的開關頻率,這樣基波頻率可以避開測試。


2.采用頻率抖動的技術。頻率抖動可以分散能量,對低頻段的EMI有好處。


3.適當降低開關速度,降低開關速度,可以降低開關時刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。


4.采用軟開關技術,比如pSFB,AHB之類的ZVS可以降低開關時刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。而LLC等諧振技術,可以讓一些波形變成正弦波,進一步降低EMI。


5.對一些振蕩尖峰做吸收,這些管子上的振蕩,往往頻率很高,會發射很大的EMI.


6.采用反向恢復好的二極管,二極管的反向恢復電流,不但會帶來高di/dt.還會和漏感等寄生電感共同造成高的dv/dt.


但事實上,開關電源是EMI發射源無法根本解決。而且一些從源頭抑制EMI的方法同時會降低效率,所以從傳播途徑來抑制EMI顯得尤為重要。


下面來看一下傳播途徑,這個是poon&pong兩位教授總結的傳播途徑,比較的直觀全面。


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