開(kāi)關(guān)電源設計中如何減小EMI
先簡(jiǎn)單介紹一下下EMI：
EMI翻譯成中文就是電磁干擾。其實(shí)所有的電器設備，都會(huì )有電磁干擾。只不過(guò)嚴重程度各有不同。
電磁干擾會(huì )影響各種電器設備的正常工作，會(huì )干擾通信數據的正常傳遞，雖然對人體的傷害尚無(wú)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(zhuān)家的文獻來(lái)描述EMI.
首先EMI 有三個(gè)基本面
就是
噪音源：發(fā)射干擾的源頭。 耦合途徑：傳播干擾的載體。 接收器：被干擾的對象。
缺少一樣，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(gè)就是所謂的EMC(電磁兼容)
先解釋幾個(gè)名詞：
傳導干擾：也就是噪音通過(guò)導線(xiàn)傳遞的方式。
輻射干擾：也就是噪音通過(guò)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(chǎn)成的干擾，比如火線(xiàn)和零線(xiàn)，正極和負極。
共模干擾：由于電路和大地之間的電勢差，電流所產(chǎn)生的干擾。
通常我們去實(shí)驗室測試的項目：
傳導發(fā)射：測試你的電源通過(guò)傳導發(fā)射出去的干擾是否合格。
輻射發(fā)射：測試你的電源通過(guò)輻射發(fā)射出去的干擾是否合格。
傳導抗擾：在具有傳導干擾的環(huán)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(huán)境中，你的電源能否正常工作。
首先來(lái)看，噪音的源頭：
任何周期性的電壓和電流都能通過(guò)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(shí)候，需要測試各種頻率下的噪音強度。
那么在開(kāi)關(guān)電源中，這些噪音的來(lái)源是什么呢?
開(kāi)關(guān)電源中，由于開(kāi)關(guān)器件在周期性的開(kāi)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(huì )問(wèn)，我的開(kāi)關(guān)頻率是100KHz的，但是為什么測試出來(lái)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(shuō)如果電流或者電壓波形，是非正弦波的信號，都能分解出高次諧波。
那么如果同樣的方波，但是上升下降時(shí)間不同，會(huì )怎樣呢。
同樣是100KHz的方波
紅色：上升下降時(shí)間都為100ns
綠色：上升下降時(shí)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：
再來(lái)看，那么這些干擾如何傳遞到接收器的?又要如何來(lái)阻擋這些干擾傳遞到接收器呢?
先來(lái)看差模的概念，差模電流很容易理解，如下圖，
差模電流在輸入的火線(xiàn)和零線(xiàn)(或者正線(xiàn)到負線(xiàn))之間形成回路，用基爾霍夫定理可以很容易理解，兩條線(xiàn)上的電流完全相等。
而這個(gè)差模電流除了包含電網(wǎng)頻率(或者直流)的低頻分量之外，還有開(kāi)關(guān)頻率的高頻電流，如果開(kāi)關(guān)頻率的電流不是正弦的，那么必然還有其諧波電流。
現在以最簡(jiǎn)單的，具有PFC功能的DCM 反激電源為例子，(如上圖)
其輸入線(xiàn)上的電流如下：
如將其放大：
可以看到電流波形為，眾多三角波組成，但是其平均值為工頻的正弦。那么講輸入電流做傅立葉分析，可以得到：
可以看到，除了100Khz開(kāi)關(guān)頻率的基波之外，還有豐富的諧波。繼續分析到更高頻率，可以看到：
如果不加處理，光差模電流就可以讓傳導超標。
那么如何，來(lái)阻擋這些高頻電流呢?最簡(jiǎn)單有效的，就是加輸入濾波器。
例子1，在輸入端加一個(gè)RC濾波器：
在對輸入電流做傅立葉分析：
可以看到高頻諧波明顯下降
如果加LC濾波器：
對輸入電流做分析：
可以看到濾泡效果更好，但是在低頻點(diǎn)卻有處更高了。這個(gè)主要是LC濾波器諧振導致。
而實(shí)際 電路中，由于各種阻抗的存在。LC不太容易引起諧振，但是也會(huì )偶爾發(fā)生。
如果在傳導測試中發(fā)現低頻段，有非開(kāi)關(guān)頻率倍頻的地方超標，可以考慮是否濾波器諧振。
.下面的波形，一個(gè)是具有導通尖峰的電流波形，一個(gè)沒(méi)有導通尖峰。
對兩個(gè)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(gè)波形，作分析
紅色: 固定頻率的信號
綠色：具有稍微頻率抖動(dòng)的信號
可以看到，頻率抖動(dòng)，可以降低低頻段能量。進(jìn)一步，放大低頻段的頻譜能量：
可以看到，頻率抖動(dòng)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(diǎn)，所以峰值比較高，容易超標。
最后稍微總結一下，如果從源頭來(lái)抑制EMI。
1.對于開(kāi)關(guān)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(lèi)的開(kāi)關(guān)頻率，這樣基波頻率可以避開(kāi)測試。
2.采用頻率抖動(dòng)的技術(shù)。頻率抖動(dòng)可以分散能量，對低頻段的EMI有好處。
3.適當降低開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)速度，可以降低開(kāi)關(guān)時(shí)刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。
4.采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，比如PSFB，AHB之類(lèi)的ZVS可以降低開(kāi)關(guān)時(shí)刻的di/dt,dv/dt。對高頻段的EMI有好處。而LLC等諧振技術(shù)，可以讓一些波形變成正弦波，進(jìn)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(huì )發(fā)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(huì )帶來(lái)高di/dt.還會(huì )和漏感等寄生電感共同造成高的dv/dt.
下面來(lái)看一下傳播途徑，這個(gè)是poon & Pong 兩位教授總結的。
傳播途徑，比較的直觀(guān)
我們先來(lái)看傳導途徑：
傳導干擾的傳遞都是通過(guò)電線(xiàn)來(lái)傳遞的，測試的時(shí)候，使測試通過(guò)電線(xiàn)傳導出來(lái)得干擾大小。
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