開關(guān)電源日益廣泛地應(yīng)用到各種數(shù)顯儀表、通信設(shè)備以及家用電器等電子中，其電磁干擾問題及與其它電子設(shè)備的電磁兼容問題已日益成為人們關(guān)注的熱點，未來電磁干擾及其相關(guān)問題必將得到更多研究。昌暉儀表在本文對開關(guān)電源EMI的原因和如何解決開關(guān)電源EMI問題做探討。
開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、變壓器等。
1、功率開關(guān)管
功率開關(guān)管工作在On-Off 快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場耦合的主要干擾源，也是磁場耦合的主要干擾源。
在電路中的電感及寄生電感中快速的電流變化產(chǎn)生磁場從而產(chǎn)生較高的電壓尖峰：UL=LdiL/dt；在電路中的電容及寄生電容中快速的電壓變化產(chǎn)生電場從而產(chǎn)生較高的電流尖峰：ic=Cduc/dt
磁場和電場的噪聲與變化的電壓和電流及耦合通道如寄生的電感和電容直接相關(guān)。直觀的理解，減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt及減小相應(yīng)的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場和電場產(chǎn)生的噪聲，從而減小EMI干擾。
2、變壓器
變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，初次級層間電容，變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生的重要原因之一。
初級次級的漏感及初級的層間電容、次級的層間電容、初級和次級之間的耦合電容則是噪聲的通道。初級或次級的層間電容可以通過減小繞組的層數(shù)來降低，增大變壓器骨架窗口的寬度可在減小繞組的層數(shù)。分離的繞組如初級采用三明治繞法可以減小初級的漏感，但由于增大了初級和次級的接觸面積，因而增大了初級和次級的耦合電容。采用銅皮的Faraday屏蔽可以減小初級與次級間的耦合電容。Faraday屏蔽層繞在初級與次級之間，并且要接到初級或次級的靜點如初級地和次級地。Faraday屏蔽層使初級和次級的耦合系數(shù)降低，從而增加了漏感。
變壓器所包含的寄生電容的模型見圖1中所示。
變壓器寄生電容模型
說明：上圖中Cp: 初級繞組的層間電容；Coe: 輸出線到大地的電容；Cme: 磁芯到大地的電容；Ca: 最外層繞組到磁芯的電容；Ct: 輔助繞組到次級繞組的電容；Cs: 初級繞組到次級繞組的電容；Cm: 最內(nèi)層初級繞組到磁芯的電容。
RCD箝位電路(如圖2)用于抑止由于變壓器的初級漏感在開關(guān)管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰。加RCD電路會消耗一定功率降低系統(tǒng)的效率同時成本也會增加，因此要根據(jù)實際的需要選擇使用。
圖2 RCD吸收電路
3、整流二極管
整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點會在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高dv/dt，從而導(dǎo)致強電磁干擾。
理想的二極管在承受反向電壓時截止，不會有反向電流通過。而實際二極管正向?qū)〞r，PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個主要的干擾源。可以通過在二極管兩端并聯(lián)RC來抑制。
4、PCB
PCB是上述干擾源的耦合通道，Layout的設(shè)計優(yōu)劣，直接對應(yīng)著對上述EMI源抑制的好壞。PCB畫板時要注意以下幾個回路盡量短： ①初級大電流回路；②次級大電流回路；③輔助繞組VCC供電回路；④RCD吸收回路。
如今在開關(guān)電源體積越來越小，功率密度越來越大的趨勢下，EMI/EMC問題成為了開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵因素，也是一個最容易忽視的方面。開關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計中占有很重要的位置。實踐證明，EMI問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。昌暉儀表希望本文能對廣大電子工程師后續(xù)設(shè)計有一定的參考作用。
作者：官庚、莊蘇巧
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