开关电源传导EMI预测方法研究

　　1　引言

　　随着开关频率的提高以及功率密度的增加，开关电源内部的电磁环境越来越复杂，其电磁兼容问题成为电源设计中的一大重点，同时也成为电源设计工作的一大难点。常规设计方法中，依靠经验设计处理EMC问题，样机建立完毕之后才能对EMC问题做最后的考虑。传统的EMC的补救办法只能增加额外的元器件，而增加元件有可能影响原始的控制环带宽，造成重新设计整个系统的最坏情况，增加了设计成本。为了避免出现这样的情况，需要在设计过程中考虑EMC的问题，对开关电源的EMI进行一定精度的分析和预测，并根据干扰产生的机理及其在各频带的分布情况改进设计，降低EMI水平，从而降低设计成本。

　　2　开关电源EMI特点及分类

　　对开关电源传导电磁干扰进行预测，首先需要明确其产生机理以及噪声源的各项特性。由于功率开关管的高速开关动作，其电压和电流变化率都很高，上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波，所以产生的电磁干扰强度大;开关电源的电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近;由于开关管的开关频率从几十kHz到几MHz，所以开关电源的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中，传导干扰会通过噪声传播路径注入电网，干扰接入电网的其他设备。

　　开关电源传导干扰分为2大类。

　　1)差模(DM)干扰。DM 噪声主要由di/dt引起，通过寄生电感，电阻在火线和零线之间的回路中传播，在两根线之间产生电流Idm，不与地线构成回路。

　　2)共模(CM)干扰。CM 噪声主要由dv/dt引起，通过PCB的杂散电容在两条电源线与地的回路中传播，干扰侵入线路和地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路;在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。

　　3　开关电源EMI的仿真分析

　　从理论上来讲，无论是时域仿真还是频域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真结果都能正确反映系统的EMI量化程度。

　　时域仿真方法需要建立变换器中包含所有元件参数的电路模型，利用PSPICE或Saber软件进行仿真分析，使用快速傅里叶分析工具得到EMI的频谱波形，这种方法在DM 噪声的分析中已经得到了验证。然而开关电源中的非线性元件如MOSFET，IGBT 等半导体器件，其非线性特性和杂散参数使模型非常复杂，同时开关电源电路工作时其电路拓扑结构不断改变，导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究CM 噪声时，必须包含所有的寄生元件参数，由于寄生参数的影响，FFT结果和实验结果很难吻合;开关功率变换器通常工作在很大的时间常数范围内，主要包括3组时间常数：与输出端的基本频率有关的时间常数(几十ms);与开关元件的开关频率有关的时间常数(几十μs);与开关元件导通或关断时的上升时间和下降时间有关的时间常数(几ns)。