《EMC技术交流》doc

1、2、为什么在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，可以降低辐射干扰干扰？ 答：在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，其主要作用也是为了降低开关管导通或关断期间的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt，从而达到降低电磁场辐射强度的目的。 辐射干扰分电场辐射干扰EI（Electro Interference）和磁场辐射干扰MI（magnetic Interference）。电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能量的介质，它们的分布，充满整个宇宙空间，并且两者之间的能量可以互相转换；当某处电磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电磁场都需要重新进行分布，

2、并以每秒钟30万公里的速度在真空中进行传播，因此，电、磁干扰无处不在。产生电场干扰的基本原因，是带电物体的电荷在重新进行分布，相当于分布电容在不断进行充放电；产生磁场干扰的基本原因，是流过导体中的电流大小和方向在不断改变，相当于分布电感产生的磁通的大小和方向在不断变化。电磁干扰的本质就是电感应（电场感应）和磁感应（磁场感应），与电感应相关的是分布电容，而与磁感应相关的是分布电感。在带电导体的周围空间会散发出电场，并使周围的导体感应带电；当载流体中有电流流过时，在其周围就会产生磁场，交变磁场会使周围的电路产生感应电动势。电磁场是一种具有能量的物质，它们在真空中以每秒30万公里的速度向整个宇宙空间

3、辐射它在真空中以每秒30万公里的速度向整个宇宙空间辐射，并且它们在传播过程中互相可以转换。带电物体在原理上相当于一个分布电容，互相被感应带电的物体就相当于电容器的两个极，而电容C就相当于两个带电物体互相产生电场感应的系数；同理，载流体在原理上相当于一个分布电感，互相被感应产生电动势的载流体就相当于变压器的两个线圈。这里要注意电容C（电场感应系数）与电容器的区别；同理，大家也要注意互感M与电感L（磁感应系数，自感）的区别，两者在本质上是不一样的。两根相邻导体，当其中一根导体中有电流流过时，通过电磁感应，在另一导体中就会产生感应电动势，并产生感应电流，感应电流也可以叫位移电流，因为，无论被感应导体

4、是否够成电流回路、开路或短路，在交变磁场的感应下，在导体中总有位移电流在流动。位移电流的方向正好与感应导体中电流的方向相反，其产生磁场的方向也正好与感应导体电流产生的磁场方向相反。因此，位移电流的大小，就取决于两导体互相被干扰的程度。如果用位移电流来表示电场感应产生的干扰，则有： （2）式中：i为流过导体（被干扰导体）的位移电流（或充放电电流），C为两导体之间的分布电容（电场感应的系数），dv/dt为载电导体的电位变化率。在电磁辐射中，电场辐射干扰和磁场辐射干扰是同时存在的，因此，在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，实际上就是用来降低开关管导通或关断期间的电压上升率dv

5、/dt和电流上升率di/dt，从而达到降低电磁场辐射强度的目的。在实际应用中，用降低开关管导通或关断期间的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt，来降低辐射干扰的方法，往往是不可取的，因为降低开关管导通或关断期间的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt，将会延长开关管的导通和关断时间，从而增大电源开管的损耗，使开关电源的工作效率大大降低。开关管的开关损耗与开关管在普通开关电路中的损耗是不一样的，在普通开关电路中，开关管的开关损耗与开关管的导通或关断时间成正比，而在开关电源中，由于反电动势的存在，使开关管的开关损耗计算非常复杂。在开关电源中，开关电源的开关管的损耗主要是关断损耗，开关管的

6、导通损耗相对来说比较小，并且正激式开关电源的开关损耗与反激式开关电源开关管的开关损耗也不一样，在正激式开关电源中，开关管的导通损耗要比反激式开关电源开关管的导通损耗大很多。下面我们结合开关管的等效电路来对开关管的损耗进一步进行分析。图1-a 为晶体管开关电路原理图图1-b 为晶体管开关等效电路原理图图1-a和图1-b分别为为晶体管开关电路的原理图和等效电路原理图，图中：ub为晶体管（电源开关管）基极（或MOS管的栅极）的输入电压，Ri为晶体管基极（或MOS管的栅极）的输入电阻，Ro为晶体管集电极（或MOS管的漏极）到地（发射极或源极）的静态输出电阻，Lo+ Ro为晶体管导通时集电极（或MOS管

7、的漏极）到地（发射极或源极）的动态输出电阻，Co+ Ro为晶体管关断时集电极（或MOS管的漏极）到地（发射极或源极）的动态输出电阻。由图1-b看出，可以把晶体管（或MOS管）输入端可等效成一个电容C与一电阻R并联，其输入电压为： （3）当晶体管（或MOS管）导通时，其输出端可等效成一个电感L与电阻R串联；而当关断时，其输出端可等效成一个电容C与一电阻R串联；其输出电压为： （4）集电极电流为： （5）下面我们来分析开关管在不同开关电路中的开关损耗。图2-a和图2-b分别为纯电阻负载开关电路和开关管在开关过程中不同时期的损耗。图2-a 纯电阻负载开关电路图2-b 纯电阻负载的开关损耗图中，晶体管

8、的开关特性参数分别为：1、延时时间 td：从输入信号Vin变正起，到集电极电流Ic上升到最大值Icm的10%所需时间。2、上升时间 tr：集电极电流Ic从10%上升到最大值Icm的90%所需时间。3、储存时间 ts:从输入信号变负起，集电极电流最大值Icm下降到90%所需时间。4、下降时间 tf：集电极电流Ic从90%Icm下降到10%Icm所需时间。5、Pdr : 晶体管的导通损耗。6、Psf : 晶体管的关断损耗。图3-a和图3-b分别为在开关管的输入端接入一个电容的原理图和晶体管在开关过程中不同时期的损耗示意图。图3-a 接一电容会增加晶体管的开通和关断时间图3-b 开关电路各点波形及损

9、耗通过计算，比如把晶体管的集电极电压和电流都近似看成一个锯齿波的前后沿，很容易算出，开关损耗大小与开关管的4个开关时间大小成正比。因此，增加开关管的开通时间和关断时间，会降低开关电路的电压、电流上升率，这对降低开关电源的辐射干扰也很有利，但同时又会增加开关管的开关损耗。上面，我们很详细分析了在纯电阻负载的开关电路中，开关管的开关损耗情况。下面我们继续分析在感性负载的开关电路中，开关管的开关损耗情况。在感性负载的开关电路中，开关管的开关损耗情况，要比在纯电阻负载中的情况复杂很多，并且开关管的开关损耗在正激式开关电源和反激式开关电源中也不近相同。图4-a和图4-b分别为反激式开关电源的工作原理图和

10、开关管在开关过程中不同时期的损耗示意图。图4-a 反激式开关电源图4-b 反激式的开关损耗在反激式开关电源中，流过开关管的的电流是个锯齿波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈的电流非常小，而在开关管关断前，流过变压器初级线圈的电流却很大，并且变压器初级线圈产生的反电动势也很高；因此，开关管开始导通期间（td、tr)的损耗非常小，而关断期间（ts、tf) 的损耗却非常大，两者相差数十倍。图5-a 正激式开关电源图5-b 正激式开关电源的开关损耗在正激式开关电源中，流过开关管的电流是个梯形波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈的电流相对比较大；在开关管关断前，流过变压器初级线圈的电流比开关管刚接通

11、时更大，并且变压器初级线圈产生的反电动势也很高；因此，开关管开始导通期间（td、tr)的损耗和关断期间（ts、tf) 的损耗都要比反激式开关电源的损耗大很多。根据上面开关管的等效电路以及开关管在开关过程中电压与电流的表达式，很容易证明，在开关电源中，开关管的导通或关断时间延长一倍，其开关损耗将增大约3-4倍。或者可以说：在开关电源中，开关管的开关损耗与其的导通或关断时间的平方成正比。降低开关损耗的方法一个是尽量减小开关管的开通时间和关断时间，特别是要尽量减小关断时间，另一个是降低工作频率。现代开关电源一般对工作效率要求都很高，如果要求开关电源的工作效率大于80%，则电源开关管的损耗最好不要超过10%，剩余的10%应留给开关变压器及整流器件的损耗。如果在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，势必会增加电源开关管的损耗。此结果是可想而知的，电源开关管的损耗增加，将会引起电源开关管发热，使输出功率降低，并且还会降低开关电源的可靠性。由此可知，在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，以降低开关管导通或关断期间的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt，从而达到降低开关电源的电磁场辐射强度，这种方法是不可取的。降低开关电源的电磁场辐射强度的基本方法，应该优先根据上面（1）式和（2）式中，与其相关的要素来考虑。 （1） （2）