频率调制抑制DC／DC变换器EMI的研究

高频开关变换器中EMI产生的机理及其抑制方法• 1 前言开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，广泛用于通信、自动控制、家用电器、计算机等电子设备中。

但是，其缺点是开关电源在高频条件下工作，产生非常强的电磁干扰〔Electromagnet ic Inte rf erence，EMI〕，经传导和辐射会污染周围电磁环境，对电子设备造成影响。

本文从开关电源的电路构造、器件进展分析，讨论了电磁干扰产生的机理及其抑制方法。

2 开关电源电磁干扰〔EMI〕产生的机理开关电源的电磁干扰，按耦合途径来分，可分为传导干扰和辐射干扰。

按噪声干扰源可分为两大类：一类是外部噪声，例如通过电网传输过来的共模和差模干扰、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等；另一类是开关电源自身产生的电磁干扰，如开关管、整流管的电流尖峰产生的谐涉及电磁辐射干扰。

其中外部噪声产生的影响可以通过电源滤波器进展衰减，本文不做讨论，仅讨论开关电源自身产生的电磁噪声。

常规交流输入的开关电源主要构造可以分为四大部分，其框图如图1所示。

其中输入与整流滤波部分、高频逆变部分、输出整流与滤波部分是产生电磁干扰的主要来源。

以下将通过对各部分电压、电流波形的分析，说明电磁噪声产生的原因。

2．1 工频整流器引起的电磁噪声一般开关电源为容式滤波，在输入与整流滤波部分电磁噪声主要是由整流过程中造成的电流尖峰、电压波动所引起的。

正弦波电源经过电源滤波器进展差模、共模信号衰减后，由整流桥整流、电解电容滤波，得到的电压作为高频逆变部分的输入电压。

由于滤波电容的存在，使整流器不象纯整流那样一组开通半个周期，而是只在正弦电压高于电容电压时才导通，造成电流波形非常陡峭，同时电压波形变得平缓。

电流、电压的波形如图2所示。

根据Fourier级数，图中的电流、电压波形可分解为直流分量和一系列频率为基波频率整数倍的正弦交流分量之和。

通过电磁场理论以及试验结果说明，谐波〔特别是高次谐波〕会产生传导干扰和辐射干扰。

摘要：开关电源的电磁干扰对电子设备的性能影响很大，因此，各种标准对抑制电源设备电磁干扰的要求已越来越高。

对开关电源中电磁干扰的产生机理做了简要的描述，着重总结了几种近年提出的新的抑制电磁干扰的方法，并对其原理、应用做了简单介绍。

1 引言随着电子设备的大量应用，电源在这些设备中的地位越来越重要，而开关变换器由于体积小、重量轻、效率高等特点，在电源中占的比重越来越大。

开关电源大多工作在高频情况下，在开关器件的开关过程中，寄生元件（如寄生电容、寄生电感等）中能量的高频变化产生了大量的电磁干扰（ ElectromagneticInterference ， EMI ）。

EMI 信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过在电路、空间中的传导和辐射，污染了周围的电磁环境，影响了与其它电子设备的电磁兼容（ ElectromagneticCompatibility ）性。

随着近年来各国对电子设备的电磁干扰和电磁兼容性能要求的不断提高，对电磁干扰以及新的抑制方法的研究已成为开关电源研究中的热点。

本文对电磁干扰产生、传播的机理进行了简要的介绍，重点总结了几种近年来提出的抑制开关电源电磁干扰产生及传播的新方法。

2 电磁干扰的产生和传播方式开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。

通常传导干扰比较好分析，可以将电路理论和数学知识结合起来，对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究；但对辐射干扰而言，由于电路中存在不同干扰源的综合作用，又涉及到电磁场理论，分析起来比较困难。

下面将对这两种干扰的机理作一简要的介绍。

2.1传导干扰的产生和传播传导干扰可分为共模（ CommonMode CM ）干扰和差模（ DifferentialMode DM ）干扰。

由于寄生参数的存在以及开关电源中开关器件的高频开通与关断，使得开关电源在其输入端（即交流电网侧）产生较大的共模干扰和差模干扰。

2.1.1 共模（ CM ）干扰变换器工作在高频情况时，由于 dv/dt 很高，激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容，从而产生了共模干扰。

利用扩频转换技术改善开关电源转换器中的EMI 电源中的EMI高频开关式脉冲宽度调制(PWM)AC/DC和DC/DC电源转换器因其效率高、体积小，现已成为大部分系统的首选电源。

可是，这类转换器也有一个不足之处：它会在开关频率和谐振频率下产生传导性和辐射性的电磁干扰(EMI)。

假如不滤除EMI电流和电压，那它们便会损害到转换器的电源并干扰使用同一个电源的其他设备。

辐射性EMI会影响和干扰正在附近工作的设备。

很多时候，EMI的影响导致转换器违反FCC和CISPR等订立的规范。

本文将探讨目前常用的减弱EMI的解决方案，然后介绍应用日趋增长的扩频技术。

固定频率开关和EMI在大多数的设计中，PWM转换器在一固定的频率下进行开关。

这么设计有若干优点，其中一个优点就是传导性EMI衰减输入滤波器的设计比起可变频率系统的衰减输入滤波器的设计要更容易些。

因为滤波器组件无论在任何的操作条件下都可在清晰定义的频率下处理电流。

然而，转换器的输入电流仍然可使它违反传导性EMI的限制。

要清楚理解这个问题，请考虑图1中的典型DC/DC反激转换器。

假设连续的传播都不会减低其一般性，那MOSFET 电流便呈现梯形状，这是由于有傅里叶在开关频率和其谐波处渗入到了成份内。

这些傅里叶成份如果流入转换器的电源便会超出业界规范的限制。

此外，由于电压和电流波形在开关频率下的边缘很尖锐，因此电源将会在开关频率fs 和其谐波时放射出电磁能量。

这些辐射性放射(即使是从一个低瓦电源放射出来)可损害包含有灵敏电路的小型电子系统，使在附近的电路发生故障。

减弱EMI的几种常规技术这里有几种方法可减弱EMI的影响。

对于传导性EMI来说，开关电流必须经输入电容和输入EMI滤波器进行低通滤波，使它们可在到达电源时被大幅衰减。

可是，这种过滤并不彻底，而且经常会遗留一定程度的开关电流使得系统不能通过传导性的EMI测试。

使用在MOSFET和二极管电源开关中的辐射性EMI缓冲器可以减慢开关波形的上升和下降时间，并整形谐波电流和电压的频谱，以使系统更易符合规格标准。

-63-采用频率抖动技术减小EM I香港科汇(亚太)有限公司盈丰分部李芊A pp l y Fre q uenc y Jitter to R educe EMILi Q ian摘要:介绍了应用于开关电源芯片T OPG X 中的频率抖动技术。

并依照电磁干扰的测量标准分析了频率抖动技术的工作原理。

给出了通过在芯片PWM 控制电路中使用频率调整环节来减小开关电源的电磁干扰的新方法。

并与其它抑制电磁干扰的方法进行了比较,从而为抑制开关电源的电磁干扰提供了一种新的思路。

关键词:频率抖动;电磁干扰;谐波能量分类号:T N86文献标识码:B文章编号:1006-6977(2001)12-0063-02●电路与设计图19k Hz 频宽扫描时的准峰值和平均值曲线采用频率抖动技术减小EMI1概述由于采用脉宽调制(PWM )控制方式的开关电源的开关频率不断提高,使其高频开关波形中的大量谐波成分通过传输线和空间电磁场向外传播,从而造成了不可忽视的传导和辐射干扰问题。

随着通讯及控制技术的发展,各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性(EM C )的要求更加严格,如何减小电磁干扰(EMI )成为开关电源设计中的一个难点。

与常用的抗干扰技术相比,频率抖动技术(Fre q uenc y Jitter )是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI 问题的新方法。

频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性地变化来减小电磁干扰的一种方法。

以下以T OPG X 功率集成芯片为例,结合电磁干扰的产生机理和测量方法来说明频率抖动技术的工作原理及作用。

2频率抖动技术T OPG X 系列芯片是一种内含PWM 控制电路和M OSFET 的功率芯片,工作频率为132kH z ,可周期性地以132kH z 为中心频率上下变动4kH z 。

能在4ms 周期(频率为250H z )内完成一次从128kH z 至136kH z 之间的频率抖动。

笔者在采用相同的外围电路和初级峰值电流的情况下,对应用频率抖动技术和未采用频率抖动技术的电源准峰值(QP )和平均值(AV )进行了比较,结果发现,未采用频率抖动技术时,各次谐波较窄而且离散,幅值在谐波频率处较高;而采用频率抖动技术时的谐波幅值明显降低,并且变得平滑,高次谐波接近连续响应。