（电工理论与新技术专业论文）开关电源电磁干扰分析与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l y i s w i d e l ya p p l i e d i n c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o la n dc o m p u t e re t cb e c a u s eo fi t ss m a l lb u l ka n dh i g h e r p o w e rf a c t o r h o w e v e ri t sa p p l i c a t i o ni sc o n s t r a i n e dt oa 1 1e x t e n tb e c a u s eo fe m i i nt h i sp a p e r ，t h ec a t e g o r yo fe m ia n dt h ec a u s e sa r e a n a l y z e d t h ec o n d u c t e d i n t e r f e r e n c eo ft h es w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l yc a nb ec l a s s i f i e di n t oc o m m o n m o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d ei n t e r f e r e n c e t h ec o m m o nm o d e ( c m ) c o n d u c t e d e m ii sd i f f i c u l tt ob e p r o h i b i t e d i nt h i sp a p e lw ep r o p o s et h e c a u s e sa n d c o u n t e r m e a s u r e s h o wt od e a lw i t ht h es o u r c eo fi n t e r f e r e n c ei sam a i ni s s u eo ne m i o n eo f c a u s e si so n o f fo fp o w e rc o m p o n e n t s t h er i s e f a l lt i m ei sr e d u c e di no r d e rt o i m p r o v et h er e s p o n s es p e e do fc o m p o n e n t sa n dt od i m i n i s ht h el o s s w h e r e a si t l e a d st ot h em o r es e r i o u se m i 。t h ee f f e c to ft h er i s et i m e f a l lt i m eo n 也e s p e c t r u m so f s o m e s i g n a l si sa n a l y z e d f i l t e r i n gi sag o o dw a y t op r o h i b i tt h ec o n d u c t e de m i y e tt h ep e r f o r m a n c e o fe m if i l t e ra th i g hf r e q u e n c yr a n g ei sn o ts o g o o d ，i nt h i sp a p e rw ea n a l y z e s o m ec a u s e so ft h ee m i t h em e t h o dt oi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c a p a c i t o r i n h i g hf r e q u e n c yr a n g ei sp r o p o s e d a sw e l la st h ec a u s ei sa n a l y z e d a n dt h e r e l e v a n tc o n d i t i o ni sa l s og i v e n w e s t u d yt h er a d i a t e de m i o ft h es w i t c h i n g - m o d ep o w e r s u p p l i e sb yu s i n g f d t d w ep r o v i d ef d f df o r m u l a so fac o u p l eo fm a i nc o m p o n e n t so ft h e s w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l y i t i saw a yt o s t u d yt h er a d i a t e de m io ft h e s w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l i e si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：t h es w i t c h i n g m o d ep o w e r s u p p l y ；e m i ；f i l t e r ；f d t d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 电磁兼容概述 1 1 1 电磁兼容概念 第1 章绪论 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简写为e m c ) 是指电子、电气 设备或系统的一种工作状态，在这种工作状态下，他们不会因为内部或彼此 之间存在的电磁干扰而影响其正常工作。 电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要 求萨常工作的能力。 电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简写为e m i ) 贝0 是指任何能中断、 阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。电磁干扰分为传导干 扰和辐射干扰。按频带分，可分为宽带干扰与窄带干扰。传导干扰又可分为 共模干扰和差模干扰。辐射干扰也可分为共模干扰和差模干扰。 e m i 形成的三个因素l ： ( 1 ) 电磁干扰源，指产生e m i 的组件、器件、设备、分系统、系统或自 然现象。电磁干扰源有：自然干扰源和人为干扰源。雷电放电，沙漠地区的 沙暴和尘暴产生的局部e m i 等。天电干扰源以及电阻等电子元器件产生的热 噪声等属于自然干扰源。常见的人为干扰源包括电力线干扰源、旋转机械干 扰源、点火系统干扰源和功能干扰源。 ( 2 ) 敏感设备，指对电磁干扰发生回应的设备： ( 3 ) 耦合路径或称为耦合通道，指把能量从干扰源耦合( 或传输) 到敏 感设备上，并使该设备产生响应的媒介。传导干扰和辐射干扰就是按照耦合 路径来进行划分的。传导干扰是通过导线进行传播的，耦合二f 扰是通过“场” 进行传播的。因此，分析传导干扰使用“电路”理论，而分析辐射干扰就必 须采用电磁场理论。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 凶1 1电磁干扰三要素 由此可见，要消除电磁干扰，可以采取去掉干扰源、切断干扰路径以及 降低敏感设备的敏感度这三种办法中的一种即可。 1 1 2e 托的标准和规范 1 ，标准和规范的概念 标准和规范是有区别的：标准是一股性准则，它可以导出各种规范：规 范则是一个包含详细数据、必须按合同遵守的文件。e m c 标准的数量相当多， 主要由以下四个部分1 1 1 1 m ： ( 1 ) 规定名词术语。例如g j b 7 2 8 5 “电磁干扰和电磁兼容性技术的术 语定义”。 ( 2 ) 规定电磁发射和敏感度的极限值。例如，g j b l 5 1 8 6 “军用设备和 分系统电磁发射和敏感度要求”。 ( 3 ) 规定统一的测试方法。例如，g j b l 5 2 - - 8 6 “军用设备和分系统电磁 发射和敏感度测量”，m i l s t d 4 6 2 “电磁干扰特性的测量”。 ( 4 ) 规定电磁兼容性控制方法或设计方法。例如，国标g b 7 4 9 5 8 7 “架 空电力线路与调幅广播收音机、台防护间距”。 电磁兼容性标准和规范表示的概念是：如果每个部件都符合浚规范的要 求，则设备的电磁兼容性就能得到保证。由于电磁兼容性领域讨论和处理的 是设备或系统的非设计性能和工作性能，因此，电磁兼容性标准和规范也要 强调设备或系统特性的非预期方面，并用相应的词句描述。 2 国内外e m c 标准和规范 我国的e m c 标准和规范制度工作开展较晚。1 9 6 6 年我国制定了第一个 无线电干扰标准j b 8 5 4 - - 6 6 “船用电气设备无线电干扰端子电压测量方法与 允许值”。近年来，我们积极借鉴国际标准，制定了系列e m c 的标准和规 范。如g b l 2 1 9 0 - - 9 0 “高性能屏蔽室屏蔽效能测量方法”，g j b l 0 0 1 9 0 “超 短波辐射测量方法”等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 9 4 5 年美国制定了陆、海军标准j a n i 一2 2 5 “l5 0 k h z 2 0 m h z 无线 电干扰测量方法”。后来，国防部组织专家制定了m i l s t d - - 4 6 0 系列电磁 兼容性标准。 国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 以出版物的形式向世界各国推荐 各种电磁兼容性标准和规范，并已为很多国家直接采用，成为电磁兼容性民 用标准的通用标准。 联邦德国的v d e 标准也是有代表性的。它分为a 类( 保护距离为3 0 m 的设备) 和b 类设备( 保护距离为1 0 m ) 。a 类符合c i s p r 标准，b 类比a 类更严，但比m i l s t d 一4 6 0 系列的要求要低。按照规定，只有达到b 类 要求的电子产品才能进入其市场。 1 1 3e m i 的危害及e m c 实施的必要性 e m i 危害最严重的例子是1 9 6 7 年6 月发生在越南美军基地的一起事 故。据报导，当时美军一艘军舰上的高功率雷达发射的射频能量，耦合到一 台装在飞机上的导弹火箭的马达驱动电路。这导致该马达启动，将导弹火箭 点火，并触发了停在航空母舰上的其它导弹。这起事故，引爆了2 7 枚导弹， 死1 3 0 余人。 1 9 8 2 年英国与阿根廷的马岛之战中，英国的一艘导弹驱逐舰被击沉。原 因是由于英国的军舰没有解决好电磁兼容问题：军舰为了远程通信不得不关 闭其雷达系统，也就是没有解决好远程通信和雷达之间的电磁兼容性问题。 结果因没有及时发现敌方的进攻而被导弹击中。 近年来由于实际生产、科研及使用上的迫切需要，特别是欧盟规定1 9 9 6 年1 月1 日起所有进入欧盟地区的电子产品均需通过e m c 检测，达不到要 求的产品一律不得进入其市场。欧洲现在对进入其内的所有电工、电子产品 都贴上“c e ”标志。所谓c e 标志就是指欧盟对于符合它在官方公报上颁布 的一项有关e m c 指令要求的标记。美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了一 系列e m c 法规。日本认定的e m c 有关技术法规基本上参考c i s p r 标准。 韩国从1 9 9 3 年开始执行e m c 国际标准川。因此，为了让我国生产的电子类 产品能进入实行这些标准的市场，我们的产品必须符合他们制定这些标准。 这些标准会成为国际贸易中的技术壁垒。由于他们在电磁兼容方面研究比我 们成熟，这些标准是有利于他们本国企业的发展的，但对我们来说就是不利 的。这就要求我国要进行电磁兼容方面的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在国内，我国电子、电工类产品的研制生产受到中华人民共和国标准 化法、中华人民共和国质量法、中华人民共和国进出口商品检验法以 及中华人民共和国无线电管理法规等法规严格制约。随着技术的发展， 特别是人们环境保护意识的增强，对产品的电磁兼容性越来越重视。我国已 将产品的电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，国家规定从2 0 0 3 年5 月1 同起凡列入国家强制性产品认证目录的产品未经认证不得出厂、进 口和销售。那时没有达到e m c 标准的电子、电气产品不能在国内市场销售。 当然更不可能进入欧美等发达国家的市场。 由于国内国际有关e m c 法规的限制所以所有研究生产电气、电子类 产品的机构都必须遵守有关法规。据我所知，目前还没有出台专门针对开关 电源电e m i 的标准和规范；现在对开关电源的e m i 的规定主要依据其用户 的要求，这相当于是软约束。因此，必须研究开关电源的e m i 问题1 1 1 4e m c 的实施办法 在电子技术的发展过程中现在出现了三种实施电磁兼容性的方法： i ) 问题解决法 该方法是先进行研制，最后根据研制成的设备和系统在联试中出现的 e m i 问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。这种办法十分落后。因为 系统已经装配好，再去解决e m i 问题是十分麻烦的事情。为了解决问题可能 要大量的拆卸和修改，严重的也许还要重新设计。这会造成大量的人力、物 力浪费，延误系统开发周期。 2 ) 规范法 规范法是按颁布的电磁兼容性标准和规范进行设备和系统设计制造。该 方法在一定程度上能预防e m i 问题的出现，比用问题解决法更为合理。但由 于标准和规范不可能是针对某个设备系统制定的。因此，企图解决的问题不 一定是真正存在的问题，只是为了适应规范而己。另外，规范是建立在电磁 兼容实践经验基础上的，没有进行e m i 的分析和预测，因而往往导致过多的 预防储备，可能使系统成本增加。 3 ) 系统法 系统法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电 磁兼容性预测和分析。系统法从设计开始就预测和分析设备的电磁兼容性， 并在设备或系统设计、制造、组装和实验过程中不断对其进行电磁兼容性预 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 测分析。如果预测结果表明存在不兼容问题，则可修改设计后再进行预测， 直至预测结果表明完全兼容，才进行硬件生产。 图1 2 可以看出在设计阶段就考虑电磁兼容问题比等设计、生产后测试 中发现问题再想办法解决要节省资金。可见系统法是一种比较好的办法。现 代大型电气电子设备都是采用这种方法进行设计。 日用拉术花费 时问 图1 - 2两种措施在不同阶段的费用比较 国内外经验显示，在一项电气电子设备的设计过程中，用于电磁干扰 预测的费用大约占整个工程量的3 5 。如不用系统法，那成本要高得多。 研究开关电源的e m i 问题的最好是采用系统法。 1 2 开关电源e m c 发展的现状 经过二十来年的发展，开关电源现在已经大量投放市场。由于其具有高 功率密度、高效率等优点，目前已经广泛应用在计算机、电视机、通信设备、 控制装置等设备之中。随着功率半导体器件，如m o s f e t 、i g b t ，的发展和 开关技术的进步，开关电源的开关频率和功率密度不断上升。这些导致开关 电源内部的电磁环境越来越恶劣。同时对周围的电子设备及电源本身的正常 工作造成了威胁。因此，降低开关电源的e m i 成为开关电源设计中的重要课 题之一。 2 ) 在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分 ( d c d c 部分) ；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。 3 ) 功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个p c b ( 印制电路板) 上。 前者在多数情况下都是干扰源；后者由于属于弱电部分。属于敏感设备。因 而控制模块可能会受到干扰而不能j 下常工作。 4 ) 开关电源的开关频率不是很高，其产生的辐射干扰主要在其附近。由 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 于开关频率的提高将使体积减小、重量减轻。因而开关频率的迸一步提高， 使得辐射干扰变得更为严重。 5 ) 与信号处理电路中线路阻抗匹配的情况不同，歼关电源的干扰源阻抗 与网络不仅不配合，而且随工况变化，这无疑给e m i 滤波器的设计带来了一 定的困难。同时e m i 滤波器中的l 、c 组件还必须受到很大的无功功率，这些 降低了开关电源的整体效率，增大了开关电源的体积。另外，开关电源e m i 滤波器在高频段难以达到设计要求也是一个重要的问题。 对开关电源e m i 的抑制方式有滤波、接地、屏蔽以及改进p c b 的布线 等方式- 一”。在设计和安装滤波器的过程中，由于没有周到考虑，造成滤波 效果比预期的要差，甚至不但起不到滤波效果，还会带来更大的干扰。造成 这一后果的原因有很多，在低频段与高频段的原因不完全相同。低频段主要 看滤波器元件参数设置是否合理等。在高频段时，滤波器设计要考虑到器 件的寄生参数、内部元件之间的耦合以及p c b 走线等因素，否则设计的滤波 器在高频段不能达到设计要求。对于开关电源的传导干扰的抑制及其中的难 题，有许多文献进行过论述2 】。但他们的方法主要是建议使用性能好的元件， 但这会增加成本，因而不是很经济的办法。 由于开关电源电磁辐射产生的机理比较复杂，国内只查到袁义生、王爱 国等进行过这方面的研究。前者只作了一些理论分析工作电耦极子模型 的辐射。后者主要用时域有限差分法( f d t d ) 研究了辐射干扰，并分析了一个 具体的开关电源的辐射干扰。但这只是针对具体的开关电源进行分析的，没 有进行更多更深入地分析。因而，对于如何建立精确而有效的功率变换器的 辐射模型用于e m 的预估和分析仍然是目前具有挑战性的课题。 丌关电源辐射干扰模型的建立依赖于传导干扰模型的建立，而传导干 扰模型的建立包括开关管部分、整流部分干扰模型的建立l 。由于这些部 分的干扰模型目前还没有很好地建立，因此现在建立开关电源的辐射干扰 的模型还不现实。这样，现在无法进行很精确的预测。目前国内有一些用 时域有限差分法( f d t d ) 编制的软件，用这些软件可计算一些常见模型的干 扰m 】。另外，还有基于f d t d 的电磁场仿真软件”7 一l 。其中文献 2 0 可以用 来模拟射频天线，微带电路组件；它是用v i s u a lb a s i c 和c + + 语言编写 的。用这些软件可以对常见的模型，如导线、p c b 中所布的线路等的电磁辐 射大小进行仿真和计算。 总的来说，目前只有一些零星的介绍抑制开关电源e m i 的文献、2 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 本文的主要工作 本文在充分参考国内外开关电源e m i 研究现状的基础上，研究了开关电 源的e m i 问题。具体如下： ( 1 ) 分析了传导干扰产生的机理：分析e m i 滤波器在各个频段的性能特 点，并实验予以证实；在前人工作的基础上，详细地研究了开关信号的上升 下降时间对信号频谱的影响。这对设计开关电源开关信号的上升下降时间的 大小有一定的指导意义f 信号上升下降时间长短的确定与优化还必须考虑功 率损耗等因素1 。 ( 2 ) 分析了高频时电容、电感和p c b 走线的模型以及他们在分析了e m i 滤波器在高频段性能达不到设计要求的原因。本文提出了一种提高高频时电 容的性能的方法，并给出了使用该方法的条件。 ( 3 ) 用f d t d 法分析计算了无限长线电流在其周围产生的电场强度。这 是为了说明f d t d 法如何使用。 ( 4 ) 使用e m s c a n 测量了一开关电源的p c b 板表面的电磁场强度分布， 并从测量的结果分析了开关电源p c b 板产生电场强度比较大的区域，以及 有关原因。 ( 5 ) 应用f d t d 法。提出了电感与电阻并联支路、二极管的简化f d t d 计 算公式和近似模型的f d t d 计算公式以及p n p 晶体管的f d t d 计算公式。在 进行f d t d 进行仿真计算时只要这些元件可以当作集总模型，则这些计算 公式可以应用。本文推出的这些公式不仅可以使用在开关电源的电磁辐射中， 也可以使用在其他领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章传导干扰的产生原因及抑制 电力电子器件的电磁干扰按传导方式分。可分为传导干扰和辐射干扰。 为了抑制开关电源的电磁干扰，必须首先知道其干扰产生的原因。然后，在 进行开关电源的设计时仔细注意那些可能会产生干扰的元器件，比如开关管、 变压器、以及整流器件部分等。在此基础上，分析这些产生的干扰信号频谱。 随着丌关电源向着高频、高效、高功率密度方向发展，它所产生的电磁干扰 问题也同趋严重。本章第一节分析丌关电源传导干扰的分类以及如何测量两 类传导干扰的大小，然后分别介绍各类传导干扰的特性。第二节给出产生干 扰的具体元器件。第三节分析了几种常见噪声源的频谱及上升下降时间对其 频谱的影响。第四节至十一节讨论了e m i 滤波器的分类等问题。最后节具 体测量一个开关电源在安装e m i 滤波器i j 后的频谱。 2 1 传导干扰的分类及产生原因 开关电源的传导干扰分为共模干扰和差模干扰。所谓共模干扰就是，由 电源的相线或中线与地线所构成回路中的干扰。差模干扰是指电源的相线 与中线之间所构成回路中的干扰信号。如图2 1 所示。其中，l | s n 为线性 阻抗稳定网络。s m p s 为开关电源。、i d m 分别为共模、差模电流。 l i s n 厂b s m p s 心同专 圈2 - 1共模、差模电流的流向 开关电源中的差模干扰主要是由回路中开关动作产生，其大小与直流侧 滤波电容的寄生阻抗有很大的关系。滤波电容的寄生阻抗与导线上的电感、 电容器件本身的寄生电感有关。 在开关电源中，由于开关器件和整流器件都会产生热，为散热要加装散 热器底板，底板一般再与地相连。这就会在这些器件和底板间产生寄生电容。 另外在变压器的原边和次边也会产生寄生电容。当矩形波电压作用于功率 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 器件时，开关电源的输出端会产生共模干扰，它的大小与输入电压幅值和寄 生电容及导线寄生电感有关m - 。共模干扰与位移电流相关。其大小与电路中 的杂散参数有关。故共模干扰在很大程度上受电源中各组件的大小、形状和 位置的影响。 由于开关电源的功率管工作于非线性条件下，大部分采用p w m 的开关 控制方式，加上开关频率的不断提高，使e m i 问题越来越严重。开关电源的 干扰主要以传导干扰为主，其频率在1 0 k h z 到3 0 m h z 之间i 。差模干扰在 两根电源线之间形成回路，是由于电路半导体组件开关动作而引起，主要涉 及的电路组件是输入电路电解电容的寄生参数。该寄生参数引起的干扰源是 变换器脉动电流，可以通过输入滤波器来削弱。但由于滤波器中使用的电容 器一般为电解电容有很大的等效串联电感( e s l ) 和等效串联电阻( e s r ) ， 因此造成滤波器的性能下降。 有关文献t l o l 认为，共模干扰可以转化为差模干扰，因此差模干扰的产生 原因比共模干扰要复杂一些。在多数情况下w ，开关电源产生的传导干扰以 共模干扰为主，而且共模干扰的辐射作用远大于差模干扰。 2 2 开关电源的噪声源 开关电源噪声的产生一般可分为两大类m 】：一是开关电源内部组件形成 的干扰：二是由于外界因素影响而使其产生的干扰，这涉及人为和外界因素。 1 内部干扰源 开关电源产生e m i 的原因较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波 干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。当谐波的频 率较低时，其会沿着输电线路产生传导干扰；当其频率高到一定程度时，就 会以波的形式在空间传播，从而形成电磁辐射干扰。 变压器型功率变换电路是开关稳压电源的核心，它产生的尖峰电压是一 种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生该种干扰的主要 元器件是： ( 1 ) 开关管。开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电 容。当开关管流过大的脉冲电流时，一般会形成矩形波。该波形含有许多高 频成份。由于元器件本身的原因，如开关管的存储时间、输出级的大电流、 开关整流二极管的反向恢复时间等，这样会造成回路瞬间短路，产生很大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 短路电流。所有短路电流的导线及这种脉冲电流流经的变压器和电感产生的 电磁场都可形成噪声源。严重时，可以击穿开关管。 ( 2 ) 高频变压器。当原来导通的丌关管关断时。高频变压器的漏感所产生 的反电势e = 一l d i d t ，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比， 迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰从而形成传导干扰。它既影响其它 设备的安全和经济运行，也影响自身的工作。开关电源中的变压器作用是： 隔离与储能。在高频的情况下，其隔离是不完全的，变压器层间的分布电容 使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电 容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其它引线上 耦合形成噪声。 ( 3 ) 整流二极管。在输出整流二极管截止时有一个反向电流，它恢复到零 点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流恢复到零点的二极管称为 硬恢复二极管。它会在变压器漏感和其它分布参数的影响下产生较强的高频 干扰，其频率可达几十兆赫。p n 型硅二极管用作高频整流时正向电流蓄 积的电荷在加反向电压时不能立即消除。只要这个反向电流恢复时的电流斜 率过大流过线圈的电感就产生了尖峰电压。 ( 4 ) 电容、电感器和导线。丌关电源由于工作在较高频率，会使低频元器件 特性发生变化，由此产生噪声。 2 外部干扰源 本论文主要研究的是作为干扰源的开关电源的干扰问题，但外部干扰源 干扰开关电源后会“传递”干扰下一级用户。 外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰。下面具体谈这两类于扰： ( 1 ) 电源干扰 表2 一l电源干扰的类型1 2 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 电源干扰可以以“共模”和“差模”方式存在。干扰类型可以从持续期 很短的尖峰干扰到完全失去电之间进行变化。其中也包括电压变化、频率变 化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等，干扰的类型可见表2 一l 。 良好的电源设计应使开关电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作， 同时对电源线中的各种脉冲干扰有很好的抑制作用。 ( 2 ) 雷电干扰。雷电干扰可以分为直击雷、感应雷和浪涌等三种。本文不 讨论雷电干扰。 2 3 开关电源的干扰源分析 开关电源的开关器件现在用得较多的是m o s f e t 和i g b t 。他们在关断 时都会产生比较大的电压、电流变化率。丌关电源中的丌关器件在其关断时， 电压电流的变化率都很大，会造成很大的干扰。 为了抑制开关电源的干扰，首先必须了解干扰源所产生的噪声信号的频 谱特性。其次，是研究信号的上升下降时间对其频谱特性的影响。本节将在 前人研究的基础上，研究信号的上升下降时间对几种典型噪声信号频谱的影 响。 2 3 1 非均匀方波的分析 p w m 方波是最常见的丌关器件驱动信号，其脉冲宽度随着负载的变化 而变化。但是在开关电源中，脉冲宽度的变化是很慢的。在频谱分析中，一 般将其作为常值。理想方波的波形如下图所示。其中，7 1 、f 分别代表周期， 脉冲宽度。 a 其幅度频谱为m ， 图2 - 3 理想方波的波形 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 s ( ) = 丽a | 3 s i n ( 蒯) 一s i n ( 疵( 2 一刮( 2 - 1 ) 其中，为谐波数。d = r t ，为占空比。 在高频时，式( 2 - 1 ) 的近似式为， s ( t ) ：_ 2 a ( 2 - 2 ) 可见，高频时，s ( k ) 随着a 增加或( 和) k 减小，s ( k ) 的值增加。因 此，可以通过减小a 的办法来降低s ( k ) 的值。 在低频时，式( 2 1 ) 的近似式为【2 7 i ， s ( 1 ) ：2 as i n ( 蒯) ( 2 3 ) 当d 墨i 1 ，或i 1 d 詈时，s ( 1 ) 随着d 的增加而增加；当土4 d 丢，或 d 0 时，s i ( x r ) 寸1 s i q r f ) _ 1 。式( 2 6 ) 则可近似为， ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 s(七)f：_2a(2-7) 可以看出，此时频谱幅值与幅值成正比，与谐波数成反l p 。如果在该频 段的频谱幅值超过标准，可采用降低a 的办法。 在中频段时，方程( 2 5 ) 可以近似为， 跗驴昙去，口= 傺豢裂 s ， 低频与中频近似式的分界点为( 或称为第一截止谐波) 2 i k = ；：= ：= = ：= ：三：= = ：= ：一 ( 2 - 9 ) ( s ，( 艘) + s i ( j r f ) ) 2s i n2 ( 蒯) + ( s i ( x r ) 一j f ( ) ) 2c o s 2 ( 蒯) 高频段时，由于l s f ( 疵尺) i 1 1 n k r i ，i s i ( t 醯f l 1 1 z 破f i ，公式( 2 5 ) 可以近似 为， 跗驴南睁去) 可见，在该频段s ( k ) 随着r 和f 的减小而增大。我们知道功率的公式为 d w = j u i d t 其中“、i 分别代表电压和电流。当r 和f 减小时，相对上升下降时间t 会减小，从而可以减少总的功耗。但此时的幅度频谱s ( k ) 却增大了。这可能 会导致其产生的e m i 超过标准。因此，在选用或设计驱动信号时，不能仅从 减小能量的角度来考虑，还必须考虑到是否会造成过大的e m i 。 中频与高频近似式的分界点为 k = 万1 ，夕= 豢嚣， 上面讨论的是一般情形，下面讨论f = r 时幅度频谱的特性。 当f = r 时，式( 2 - 5 ) 变为 s ( j ) = i 2 ak 揪) s i n ( 蒯) l ( 2 - 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 3 i 此时，低频时的幅度频谱近似式为 s ( 1 ) ：三生j f ( 艘) s i n ( 耐) ( 2 一1 3 ) 万 取a ：1 ，d 分别取0 5 ，o 4 ，0 3 ，0 ，2 ，0 1 ，绘出s q ) 在r 处于o o 5 之间的关系图。如图2 - 6 所示。 图2 - 5 s o ) 与r 的关系图 观察图2 - 6 ，可以看出s ( 1 ) 随着r 的增大而减小：随着d 的减小而减小。 因此，当在某一频段( 低频段) 时，s ( 1 ) 超过极限线，可以通过增大r 的办法。 通过此图还能够发现s ( 1 ) 随d 的变化曲线。 此时，k 。变形为 t ，2 而蒜 让。4 ) 比较式( 2 - 1 4 ) 与( 2 一1 3 ) ，再由图2 - 5 ，可以得知：k 。随着r 的增大而增 大。 当r = f 时，高频时的s ( k ) 近似式变为 。? = 磊2 ai(2-15) 可以看出高频时，频谱与r 成反比。为降低高频时的频谱幅度，可采取 降低相对上升下降时间的办法。 此时，中频的幅度频谱近似式为 s ( 一= 昙( 1 + 去) ( 2 - 1 6 )用c础k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由式( 2 1 6 ) ，可以发现中频时的幅度频谱随着r 的增加而减小。 当开关电源的开关元件驱动信号为梯形信号时，若其产生的干扰超过标 准规定，为降低干扰，可以考虑改变其上升下降时间的大小。 2 。3 3 有限变化率的p 贼信号分析 实际的开关电源开关器件驱动信号有很多是有限变化率的p w m 信号。有 限变化率的p w m 信号波形如图2 - 7 所。该信号的幅度频谱为1 2 8 l 跗，= 越卜，e - - 篇i + ms i n ( 2 x - - 钏j 刊c 柑) e 叫2 n l 与n ) 1 卜引 ( 2 17 ) 式中m 表示调制指数。 圈2 - 7 有f ，蠼变化率的p 帆信号 将指数因式的值近似为1 时，式( 2 - 1 7 ) 变形为 跗) s 忑a 善n ( “( 燃m f ( 村) ) ：等( 盯) 埘( 棚) ) 8 ) 低频段时，式( 2 1 7 ) 可近似为 s ( 七) f ：_ 2 a n ( 2 - 1 9 ) 可见，s ( 七) 。随着n 、a 的增加而增加。若该信号开关电源开关器件的驱 动信号，则可以通过减小a 和n 来降低其产生的干扰。 处于中频段时，式( 2 1 7 ) 可近似为 跗护等( 嗉) ia = 恪蓑焉 弘z 。， 由式( 2 - 2 0 ) 可以分析，s ( 七) 。随着a 、n 的增加而增加：随者口的增加 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 而减小。为降低s ( t ) 。司以减小a ，n 以及适当增大t 2 等。 处于高频段时，式( 2 - 1 7 ) 的近似式为 跗护筹睁卦兀k k ri 上面均是讨论r f 的情形。下面讨论只= f 的情形。 在r = f 时，该信号的幅度频谱为 跗) = 矩卜寿女m 争) 叫( 榔1 甜州“争3 卜砖 = i 2 a 瞻g f n 匿( t 一似铷e “刊 式( 2 1 8 ) 蛮形为 ( 2 - 2 1 ) f 2 2 2 ) s ( k ) ：_ 2 a ns f ( 庇r ) ( 2 - 2 3 ) 蕊 为看出式( 2 - 2 s ) 中s ( k ) 与r 的关系，取a = i ，n = i k = 2 ，r 在 0 0 1 0 5 区间内，作出s ( k ) 的变化曲线。如图2 8 所示。 。 图2 - 8s ( 2 ) 与r 的关系幽 由图可见，s ( 2 ) 随着r 的增加而减小。其中宠在0 0 1 区闻，0 i 0 2 区 间，0 , 2 0 5 区间，s ( 2 ) 的下降斜率分别相等。 当r = f 时，式( 2 - 2 1 ) 变为 踯k = 筹- i 1 ( 2 - 2 4 ) 可见，r = f 时，高频幅度频谱随着r 的减小而增大。此时，为降低幅 一 簪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 度频谱，可以增大r 。当然r 的增加要受到限制，比如功率损耗 2 4 开关电源e m i 的测量 滤波是抑制开关电源e m i 的一种方法。对于一具体的开关电源，为抑制 其产生的e m i ，可利用滤波器。因此，首先必须知道干扰源的类型和大小。 差模干扰和共模干扰产生的机理不同，形成的回路不同。因此，必须采取不 同的抑制方法。相应地，其滤波器设计也不相同。在干扰测量中如何分辨差 模及共模干扰成为电源e m i 滤波器设计的首要问题。虽然e m c 标准中规定 的干扰测量装置一一l i s n 能测出传导干扰大小，但其缺点是不能将两类干扰 扰区分开来，不利于滤波器的设计。测量差模、共模干扰的方法主要有三种 口。另外有文献提出了新的方法c j 0 3 2 1 。本文，只介绍文献 2 9 1 中的两种方法。 ( 1 ) 射频电流探头。它是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流 信号的仪器，本质上是一个匝数比为1 的变压器。电流探头的传输阻抗定义 为测量电压与被测电流之比： z f = p 。i 。l 2 - 2 5 ) 其中，k 、，。分别是测量电压，被测电流。z ，是衡量射频电流探头性能 的一个最基本的参数a 一般用对数形式表示为i 圪i 。，= i l i 。+ 忆l 。理想 情况是其传输阻抗在整个频率范围内都保持l q 或o d b q 。但实际中由于产品 自身的各种寄生参数的存在，上述的理想情况难以实现。 根据差模、共模干扰电流的方向，巧妙地安排楣线和中线的位置，可以 分别测量到共模干扰电流或差模干扰电流的大小，测量的安排如图2 - 9 所示。 l n g f r l8 一 j = = 亨 ( a )共模干扰测量 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 = 接l l s n = k 。 磊足低频要隶卜 要求吗? 吗? y 结束 y 检查高频寄生参数 检查辐射耦台 消除滤波器的谐振 消除滤波器与噪 声源阻抗的谐振 图2 - 1 6 开关电源e m i 滤波器的设计流程图i ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 2 1 0 滤波器的不匹配问题 用于抑制e m i 的滤波器与用在通信与信号处理中的信号滤波器原理相 同，但有不同特点m 】： ( 1 、必须具有足够大的无功功率容量； ( 2 ) 用于信号处理的滤波器的噪声源阻抗与负载阻抗一般是匹配的；但 是，抑制电磁干扰的滤波器一般都是处于不匹配的场合。因此，在进行滤波 器设计时必须考虑其失配特性。只有这样才可以保证足够好的滤波特性： ( 3 ) e m i 滤波器中用到的电感、电容组件的寄生参数控制比较苛刻! 因而， 对该种滤波器的制作与安装要认真对待： ( 4 ) 它须正确使用。否则，不但收不到应有的效果，甚至可能会产生新的 噪声。使用不当可能使滤波器对某一频率产生谐振；如果，没有很好的接地， 滤波器可能完全不起作用。即使其用于信号电路中能够抑制干扰，但同时会 给有用信号带来一定的失真。因此，抑制电磁干扰，应该慎用滤波器。 2 1 1e m i 滤波器的安装 滤波器的性能不仅与其本身的电路结构有关，且与安装方式、以及与它 连接的网络的阻抗有关系。具体如下z e ： ( 1 ) 滤波器最好安装在干扰源出口处，再将干扰源和滤波器安全屏蔽在一 个盒子里。若空间有限，则应安装在靠近干扰源电源线出口外侧，滤波器壳 体与干扰源壳体要良好搭接。 ( 2 ) 滤波器的输出线最好采用双绞线。 ( 3 ) 滤波器接地线有很大的短路电流，能辐射很强的电磁干扰，因此对滤 波器的抑制组件要进行良好的屏蔽( 在高频段仅仅屏蔽是不够的) 。 ( 4 ) 焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会使滤波器的衰 减特性完全消失。 ( 5 ) 滤波器的接地必须很好地解决。 ( 6 ) 套管滤波器必须完全同轴安装，使e m i 电流成辐射状流经电容。若把 套管电容器通过法兰盘直接安装到干扰源上与设备组成体。接地电流就会 成辐射状流过，抑制频率范围可以扩展到几k h z 。如果安装不当，抑制效果 萨署摹 i 鎏一& 一 匹毛 2 1 2 实验结果 通常的观点认为为要晚明e m i 滤波器的滤波效果，应该测试其插入损耗。 但是目前我们并不具备这一条件。很幸运的是，有文献p 4 1 认为e m i 滤波器不 仅对传导干扰有抑制效果，而且对抑制辐射干扰也很重要；测试e m i 滤波器 在高于3 0 m h z 频段时的干扰，可以判断其在高频段的性能。基于这一观点， 我们测试了某一型号的开关电源在安装e m i 滤波器前后，其附近的辐射干扰 频谱。e m i 滤波器拓扑结构如图2 一1 8 所示。其中c ，为差模电容，其值是 0 1 妒；l 为共模电感，其值为o 7 m h ；c ，为共模电容，其值为3 3 0 0 p f 。所 选开关电源的参数为：输入电压为2 2 0 a c ，输出为2 4 v ，5 a 。 l 图2 - 1 8e m i 滤波器拓扑图 图2 1 9 为开关电源在未安装该e m i 滤波器时的频谱图。在安装了e m i 滤波器之后，其产生的干扰频谱如图2 2 0 所示。可见，安装了该滤波器后 开关电源的近场干扰有所减小。图2 2 1 为图2 一1 9 与2 2 0 的频谱幅度的差。 图2 2 l 显示的频谱差值均小于3 d b 。而测量时误差一般为3 d b ，因此，说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 没有效果。这也说明了开关电源e m i 滤波器达不到设计要求主要是在高频段a 因此解决e m i 滤波器在高频段达不到设计要求的问题是一件十分紧迫的事 情。有一点需要说明的是，本实验只是为了说明e m t 滤波器在高频段的特性。 下面给出的图只可以定性分析，作定量分析是不太合适的。 频谱扫描 幅度 1 8 6 到2 0 鲁d b u v l 翔事1 3 0o o o 到6 00 0 0 m 1 副 静蠹1 0 0ok h z 吐t ：0d b 著n 。 倒 喀 1 9 0蜥蜊 弧蜘蛳蝴 3 0 0 0 3 2 0 0 3 4 0 03 60 03 8 0 04 0 , 0 0 4 2 ”茹碧( 高鬻4 8 ”5 “0 0 5 2 ”5 6 ”5 “” 刚2 - 1 9未接滤波器时的频谱 频谱扫描 幅度8 2 到2 1 1 ：君篁? 慧：器o o o 到”。”“ 寰；曦0d b 赫硎赫椭两 谳瓣赫 3 0 0 03 20 03 40 03 60 03 8 0 04 00 04 2 0 04 40 04 6 1 3 04 80 05 0 0 05 20 05 40 05 50 0 5 80 08 0 0 0 频辜( m h z ) 图2 2 0接滤波器后的频谱 频谱扫描比较 幅度卜17 劐2 3d b u v l 炳率【3 0 0 0 0 到6 0 0 0 0 m h z | 带虎1 0 0 0k h z 衰j 赡0d b 牌戳骥一i 3 0 0 03 20 03 40 0 0 0 00 04 2 0 04 4 0 04 80 04 80 05 0 0 05 20 05 40 0s 60 05 8 0 0 0 0 频率( m h z ) 图2 2 l 接滤波器前后频谱差 m 董倒噼 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 第3 章e m i 滤波器设计中的问题与新设计方法 e m i 滤波器设计的难题主要是在高频段滤波器达不到设计要求。目前人 们一方面想芬法改进e m i 滤波器在高频段的特性，另一方面提出了一些毅的 滤波方法。 本章第一节分析