这样理解电源EMI--通俗易懂

电源界第一大公众平台23000+电源工程师关注...

电源界第一大公众平台23000+电源工程师关注



【新朋友】点击标题下面蓝字“电源研发精英圈”快速关注

【老朋友】点击右上角按钮，将本文分享到您的朋友圈

电源研发精英圈技术交流群（新）：539681241

开关电源视频教程购买请加小编微信号：gcj5055

查看电源工程师各地工资水平，请关注本公众号然后回复：工资

最新通知

电源企业怎么快速招到电源工程师？

往期文章

【电源相关招聘】05/17更新

开关电源六级能效怎么解？

菜鸟对LLC谐振知识的渴望

经典电容知识（很全）

【必须看看】开关电源中每一个元器件的计算

电源工程师30岁后面的路该如何走？

初学者到底该怎样去学习和研发开关电源？--让小编来告诉你

深入理解MOSFET规格书/datasheet

先简单介绍一下下EMI：

EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备，都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。

电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。

所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然电源也不例外的，所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。

下面结合一些专家的文献来描述EMI.

首先EMI 有三个基本面



就是

噪音源：发射干扰的源头。              如同传染病的传染源

耦合途径：传播干扰的载体。           如同传染病传播的载体，食物，水，空气.......

接收器：被干扰的对象。                   被传染的人。

缺少一样，电磁干扰就不成立了。所以，降低电磁干扰的危害，也有三种办法：

1. 从源头抑制干扰。

2.切断传播途径

3.增强抵抗力，这个就是所谓的EMC（电磁兼容）

先解释几个名词：

传导干扰：也就是噪音通过导线传递的方式。

辐射干扰：也就是噪音通过空间辐射的方式传递。

差模干扰：由于电路中的自身电势差，电流所产成的干扰，比如火线和零线，正极和负极。

共模干扰：由于电路和大地之间的电势差，电流所产生的干扰。

通常我们去实验室测试的项目：

传导发射：测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。

辐射发射：测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。

传导抗扰：在具有传导干扰的环境中，你的电源能否正常工作。

辐射抗扰：在具有辐射干扰的环境中，你的电源能否正常工作。

首先来看，噪音的源头：

任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法，分解为各种频率的正弦波。

所以在测试干扰的时候，需要测试各种频率下的噪音强度。

那么在开关电源中，这些噪音的来源是什么呢？



开关电源中，由于开关器件在周期性的开合，所以，电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压，就是噪音的真正源头。

那么有人可能会问，我的开关频率是100KHz的，但是为什么测试出来的噪音，从几百K到

几百M都有呢？

我们把同等有效值，同等频率的各种波形做快速傅立叶分析：



蓝色： 正弦波

绿色：  三角波

红色： 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谐波，谐波最大的是方波。

也就是说如果电流或者电压波形，是非正弦波的信号，都能分解出高次谐波。

那么如果同样的方波，但是上升下降时间不同，会怎样呢。

同样是100KHz的方波



红色：上升下降时间都为100ns

绿色：上升下降时间都为500ns

可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。

我们继续分析下面两种波形，

A: 有严重高频震荡的方波， 比如MOS，二极管上的电压波形。

B:用吸收电路，把方波的高频振荡吸收一下。



分别做快速傅立叶分析：



可以看到在振荡频率（大概30M）之后，A波形的谐波，要大于B波形。

再来看，下面的波形，一个是具有导通尖峰的电流波形，一个没有导通尖峰。



对两个波形做傅立叶分析：



可以看到红色波形的高次谐波，要大于绿色波形。

继续对两个波形，作分析

红色: 固定频率的信号

绿色：具有稍微频率抖动的信号



可以看到，频率抖动，可以降低低频段能量。进一步，放大低频段的频谱能量：



可以看到，频率抖动就是把频谱能量分散了，而固定频率的频谱能量，集中在基波的谐波频率点，所以峰值比较高，容易超标。

最后稍微总结一下，如果从源头来抑制EMI。

1.对于开关频率的选择，比如传导测试150K-30M,那么在条件容许的情况下，可选择130K之类的开关频率，这样基波频率可以避开测试。

2.采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量，对低频段的EMI有好处。

3.适当降低开关速度，降低开关速度，可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。

4.采用软开关技术，比如PSFB，AHB之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术，可以让一些波形变成正弦波，进一步降低EMI。

5.对一些振荡尖峰做吸收，这些管子上的振荡，往往频率很高，会发射很大的EMI.

6.采用反向恢复好的二极管，二极管的反向恢复电流，不但会带来高di/dt.还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt.

下面来看一下传播途径，这个是poon & Pong 两位教授总结的

传播途径，比较的直观全面



我们先来看传导途径：

传导干扰的传递都是通过电线来传递的，测试的时候，使测试通过电线传导出来得干扰大小。



也就是说对电源来说，所有的传导干扰都会通过输入线，传递到测试接收器。

那么这些干扰如何传递到接收器的？又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢？

先来看差模的概念，差模电流很容易理解，如下图，



差模电流在输入的火线和零线（或者正线到负线）之间形成回路，用基尔霍夫定理可以很容易理解，两条线上的电流完全相等。

而这个差模电流除了包含电网频率（或者直流）的低频分量之外，还有开关频率的高频电流，如果开关频率的电流不是正弦的，那么必然还有其谐波电流。

现在以最简单的，具有PFC功能的DCM 反激电源为例子，（如上图）

其输入线上的电流如下：



如将其放大：



可以看到电流波形为，众多三角波组成，但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析，可以得到：



可以看到，除了100Khz开关频率的基波之外，还有丰富的谐波。继续分析到更高频率，可以看到：



如果不加处理，光差模电流就可以让传导超标。

那么如何，来阻挡这些高频电流呢？最简单有效的，就是加输入滤波器。

例子1，在输入端加一个RC滤波器：



在对输入电流做傅立叶分析：



可以看到高频谐波明显下降

如果加LC滤波器：



对输入电流做分析：



可以看到滤泡效果更好，但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。

而实际 电路中，由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振，但是也会偶尔发生。

如果在传导测试中发现低频段，有非开关频率倍频的地方超标，可以考虑是否滤波器谐振。

由此可见输入滤波器，可有效过滤差模高频电流。那么怎样的滤波器才是合理的呢？

下面就独立的来分析一下差模滤波器的特性。

先来看一下简单的LC滤波器



阻的作用是降低谐振点，如果来看频率响应的话。

也就是说从源头发出一个1V的交流信号，从低频开始到高频，经过LC滤波器之后，这个信号衰减了多少。

可以看到bode图，从某一个频率点开始，输出信号开始下降。



也就是说，这个滤波器对高于这个频率的信号，有滤波作用，频率越高，效果越好。

那么那个频率是哪点呢，就是LC开方再乘以2pi，然后求倒数

这是个理想的LC滤波器，但是事实上，不可能有这么理想的滤波器。假如考虑了分布参数之后，滤波器，会变怎样呢。

先考虑电感的匝间电容，如果电感绕组比较密，匝间电容就会比较大，如下图：



假如电容为10PF，那么滤波效果又会怎样呢



可以看到增益下降到一个点之后，反而开始上升，也就是说滤波器的效果在这个频点之后，就会变差。

但是在谐振点附近，滤波效果却非常好。

如果要改善高频段，那么可以减小电感扎数，并且散绕，这样电感下降，同时寄生电容下降，谐振点就会移向高频处。但是对对低频段不利。

同样，如果电容不理想，也会出现类似的问题，通常产生影响的是电容的寄生电感。





如果两者都考虑





显然高频段很糟糕了，对于电感来说，可以定制改变绕制工艺。但是电容往往是成品。

其寄生参数无法改变，那么只能在layout上来改善。

先看一个差的例子



这种布局增大了串联寄生电感。

稍作改进



这种布局尽量减小串联寄生电感

更好的布局应该是



这种布局的等效模型，可以比较类似于



对高频滤波比较有利

稍微总结一下如何抑制差模干扰

差模干扰的源头主要是开关电源内部所产生的高频电流。那么如何抑制这些高频电流呢...一个是比如采用谐振，准谐振等软开关技术，这些拓扑本身产生的高频电流相对较小。其次采用合理的滤波器和吸收电路设计，来抑制电流的高频分量。再次，高频的电流会产生磁场，最后以电磁场的方式辐射出去。那么在PCB设计的时候，要尽量减小高频电流回路所包围的面积，以减少磁场的产生。或者，设置适当的屏蔽层，来吸收磁场。

文章转自电源网