开关电源中EMI

点点&木木

开关电源日益广泛地应用到各种控制设备、通信设备以及家用电器中，其电磁干扰问题及与其它电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点，未来电磁干扰及其相关问题必将得到更多研究。

开关电源的 EMI 干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、变压器等。

1功率开关管

功率开关管工作在 On-Off 快速循环转换的状态，dv/dt 和 di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。

在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较高的电压尖峰：

在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较高的电流尖峰:

图1 开关管的电压电流波形

磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和电容直接相关。直观的理解， 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的噪声，从而减小EMI干扰。

2 变压器

变压器的 EMI 来源集中体现在漏感对应的 di/dt 快速循环变换，初次级层间电容，变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一。

初级次级的漏感及初级的层间电容、次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道。初级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低，增大变压器骨架窗口的宽度可在减小绕组的层数。分离的绕组如初级采用三明治绕法可以减小初级的漏感，但由于增大了初级和次级的接触面积，因而增大了初级和次级的耦合电容。采用铜皮的Faraday屏蔽可以减小初级与次级间的耦合电容。Faraday屏蔽层绕在初级与次级之间，并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地。Faraday屏蔽层使初级和次级的耦合系数降低，从而增加了漏感。

变压器所包含的寄生电容的模型见图3中所示。

• Cp: 初级绕组的层间电容。

• Coe: 输出线到大地的电容。

• Cme: 磁芯到大地的电容。

• Ca: 最外层绕组到磁芯的电容。

• Ct: 辅助绕组到次级绕组的电容。

• Cs: 初级绕组到次级绕组的电容.

• Cm: 最内层初级绕组到磁芯的电容。

  
  

图2 变压器寄生电容模型

RCD箝位电路（如图3）用于抑止由于变压器的初级漏感在开关管关断过程中产生的电压尖峰。加RCD电路会消耗一定功率降低系统的效率同时成本也会增加，因此要根据实际的需要选择使用。

图3 RCD吸收电路

3整流二极管

整流二极管的 EMI 来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。

理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过。而实际二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。可以通过在二极管两端并联RC来抑制（如图4）。

图4  二极管RC电路

4PCB

PCB 是上述干扰源的耦合通道，Layout的设计优劣，直接对应着对上述 EMI 源抑制的好坏。  

PCB画板时要注意以下几个回路尽量短（如图5）：

• 初级大电流回路

• 次级大电流回路

• 辅助绕组VCC供电回路

• RCD吸收回路

  
  

图5  主要回路

5总结

如今在开关电源体积越来越小，功率密度越来越大的趋势下，EMI/EMC问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是一个最容易忽视的方面。开关电源的EMI抑制技术在开关电源设计中占有很重要的位置。实践证明，EMI问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。希望本文能对广大工程师后续设计有一定的参考作用。

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