EMI噪声分析与EMI滤波器设计

0 引言

开关电源作为一种通用电源，以其轻、薄、小和高效率等特点为人们所熟知，是各种电子设备小型化和低成本化不可缺少的一种电源方式，已成为当今的主流电源。随着电子信息产业的迅猛发展，其应用范围也必将日益扩大，需求量也会与日俱增。

然而，当人们尽情享用开关电源所带来的轻、薄、小和高效率等种种便利之时，同时也带来了噪声干扰的种种危害。特别是开关电源在向更小体积、更高频率、更大功率的方向发展，其dV/dt、dI/dt所带来的EMI噪声也将会更大。它的传导噪声、辐射噪声会波及整机的安全，有时会干扰一些CPU的指令，引起系统的误操作，严重时还会引起系统的颠覆性破坏。为此，我们在使用开关电源时，要密切关注开关电源的EMI噪声所带来的危害，采取积极的防范措施来降低EMI噪声，把EMI噪声的影响降到最低。

1 EMI噪声电流

开关电源的电路拓扑结构很多，按功率开关管与高频变压器的组合工作方式可分为全桥、半桥、推挽、单端正激、单端反激等模式。在中小功率开关电源模块中，使用较多的电路拓扑结构为推挽式、单端正激式、单端反激式等。典型的单端正激式开关电源电路框图如图1所示，它由功率开关管Q1、高频变压器T、整流二极管Dl、续流二极管D2、输出滤波电感L、输出滤波电容C等组成。工作时，可由PWM控制单元送出脉宽可变的脉冲信号来驱动开关管Ql，当开关管Q1导通时，再通过高频变压器将输入端的直流能量传到次级，开关管Ql截止时，高频变压器进行磁复位。通过高频变压器传来的高频脉冲经整流二极管整流成单一方向的脉动直流，这个脉动直流经输出滤波电感和滤波电容滤波后，即可送出所需要的直流电压。

在功率开关管Q1的高频开关切换过程中，流过功率开关管和高频变压器的脉冲会产生纷杂的谐波电压及谐波电流。这些谐波电压及谐波电流产生的噪声可通过电源输入线传到公共供电端，或通过开关电源的输出线传到负载上，从而对其它系统或敏感元器件造成干扰。这些噪声在电源线上传导的噪声频谱图如图2所示，从图中可以看出，在几百kHz到50 MHz的频段内，也就是在开关频率的基波和若干次谐波的频段内，干扰噪声的幅值远远超过了GJBl51A所规定的范围，因而会造成系统传导噪声等电磁兼容指标超标。

那么这些噪声是怎样形成的，它又是怎样传播的呢?下面以中小功率金属封装结构的表面贴装开关电源模块为例来进行分析。

1.1 共模干扰电流

金属封装结构表面贴装开关电源模块的整个电路元器件全部都装配在基片上。PWM控制片、功率开关管、整流二极管等有源器件全部采用表面贴装封装元件。输入输出的电压电流由引线送出，其内部结构示意图如图3所示。

管壳的底板是氧化铝基片的载体，氧化铝基片的正面是布线区和元器件的组装区，背面用厚膜浆料进行金属化，然后通过焊料(如焊锡等)与管壳的金属底板相连。氧化铝基片的介电常数为8，厚度通常在0.5～1.0 mm范围内。在氧化铝基片正面的组装区，表面贴装元件(如PWM控制片、运放、基准源、MOSFET开关管、整流二极管)等通过焊料(如导电胶、再流焊的焊锡等)与布线区的焊盘相连。这样的连接方式虽然构成了电路回路，但也给电路带来了新的寄生电容Cp。这些寄生电容的分布如图4所示。

在初级回路中，功率开关管芯片、PWM控制芯片、运算放大器芯片、电源正负输入线的走线轨迹等都会与外壳底板之间产生寄生电容Cp，寄生电容的容量大小取决于基片的厚度和它们在底板上所占据的面积。这样，在电路中，这些元器件及其走线与外壳底板之间就形成了分布电容Cp1、Cp2、……、Cp6等。这些分布电容在dV/dt、dI/dt及整流二极管反向恢复电流等共同影响下，就会引起噪声电流。这些噪声电流对于输入电源线的正负之间、以及输出负载线的正负之间大小相等，相位相同，称之为共模噪声电流。共模噪声电流的大小与分布电容的大小、dV/dt、dI/dt等有关。

1.2 初级差模干扰电流

图5所示是初级差模干扰电流示意图。在初级回路中，功率开关管Q1、高频变压器原边绕组Lp与输入滤波电容Ci构成了开关电源的输入直流变换回路，这个变换回路在正常工作时，会将输入的直流能量通过高频变压器传给次级。但在功率开关管Q1开关时，高频脉冲的上升和下降所引起的基波及谐波会沿着输入滤波电容Ci传向输入供电端，这种沿着输入电源线正负端传播的噪声电流称之为初级差模干扰电流IDIFF。

这种差模干扰电流IDIFF经输入电源线流向公共供电端，特别是当输入滤波电容Ci滤波不足时，对输入电源线的干扰很大，它还会通过公共的供电端干扰系统的其它部分，从而使其它部分的性能指标降低。

1.3 次级差模干扰电流

次级差模干扰电流示意图如图6所示。在开关电源的次级回路中，高频变压器副边绕组Ls和整流二极管V2负责将输入的能量传给负载。输出滤波电感L、输出滤波电容Co对高频部分进行滤波。整流二极管V2的作用是将次级绕组的脉冲波整流成直流。脉冲波为高电平时，整流二极管导通，此时将能量传给负载，脉冲波为低电平时截止，输出电流通过V3进行续流。当整流二极管V2由导通变为截止时，由于二极管的载流子移动会产生很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流会沿着输出滤波电感和输出滤波电容传播到负载回路中。所以，沿着输出线传播的EMI噪声电流包含有两个部分，一部分是正常传送能量时所携带的开关基频与谐波的干扰电流，另一部分是二极管反向恢复电流所引起的干扰电流。这个沿着输出线正负端传播的噪声电流是差模干扰电流IDIFF。