開關(guān)電源中開關(guān)管及二極管 EMI抑制方法分析

摘要：隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,開關(guān)電源向高頻化、高效化方向迅猛發(fā)展，EMI抑制已成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。本文結(jié)合開關(guān)電源中開關(guān)管及二極管EMI產(chǎn)生機(jī)理，列舉出：并接吸收電路、串接可飽和磁芯線圈、傳統(tǒng)準(zhǔn)諧振技術(shù)、LLC串聯(lián)諧振技術(shù)四種抑制EMI的方法，并對其抑制效果進(jìn)行比較分析。 敘詞：EMI RC、RCD電路 磁芯線圈 準(zhǔn)諧振 LLC諧振 Abstract：With the progress of electronic technology , the switch power supply turns to high frequency and high efficiency development,so restraint of EMI has become the important index in the design of the switch power supply.Base on the principle of EMI which is generated by switch and diode, this paper offers four kinds of methods which can restrain it.The first, parallel connection absorbing circuitthe second, in series with saturated magnetic loopsthe third, tradition resonance technologythe forth, LLC resonance technology. Keyword：EMI RCRCD Circuit Saturated magnetic loops Tradition resonance technology LLC Resonance technology
1  引言

電磁干擾( EMI) 就是電磁兼容不足,是破壞性電磁能從一個(gè)電子設(shè)備通過傳導(dǎo)或輻射到另一個(gè)電子設(shè)備的過程。近年來，開關(guān)電源以其頻率高、效率高、體積小、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來。開關(guān)電源已逐步取代了線性穩(wěn)壓電源，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、自控系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域。但是由于開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)及其高di/dt和高dv/dt，使開關(guān)電源存在非常突出的缺點(diǎn)——容易產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁干擾(EMI)信號(hào)。EMI信號(hào)不但具有很寬的頻率范圍，還具有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。所以，如何降低甚至消除開關(guān)電源中的EMI問題已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)師們非常關(guān)注的問題。本文著重介紹開關(guān)電源中開關(guān)管及二極管EMI的四種抑制方法。 
    
2  開關(guān)管及二極管EMI產(chǎn)生機(jī)理

開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下開關(guān)電源自身產(chǎn)生電磁干擾的根本原因，就是在其工作過程中的開關(guān)管的高速開關(guān)及整流二極管的反向恢復(fù)產(chǎn)生高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開關(guān)管工作在硬開關(guān)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高di/dt和高dv/dt，從而產(chǎn)生大的電磁干擾。圖1繪出了接感性負(fù)載時(shí)，開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件下的開關(guān)管的開關(guān)軌跡，圖中虛線為雙極性晶體管的安全工作區(qū)，如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能會(huì)超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。由于開關(guān)管的高速開關(guān)，使得開關(guān)電源中的高頻變壓器或儲(chǔ)能電感等感性負(fù)載在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，迫使變壓器的初級(jí)出現(xiàn)很大的浪涌電流，將造成尖峰電壓。開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組的漏感引起的電流突變，從而產(chǎn)生反電勢E=-Ldi/dt，其值與電流變化率(di/dt)成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成電磁干擾。此外，開關(guān)管上的反向并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。由整流二極管的反向恢復(fù)引起的干擾源有兩個(gè)，它們分別是輸入整流二極管和輸出整流二極管。它們都是由電流的換向引起的干擾。由圖2表明，t0=0時(shí)二極管導(dǎo)通，二極管的電流迅速增大，但是其管壓降不是立即下降，而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速的上沖。其原因是在開通過程中，二極管PN結(jié)的長基區(qū)注入足夠的少數(shù)載流子，發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制需要一定的時(shí)間tr。該電壓上沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)寬帶的電磁噪聲。而在關(guān)斷時(shí)，存在于PN結(jié)長基區(qū)的大量過剩少數(shù)載流子需要一定時(shí)間恢復(fù)到平衡狀態(tài)從而導(dǎo)致很大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)t=t1時(shí)，PN結(jié)開始反向恢復(fù)，在t1-t2時(shí)間內(nèi)，其他過剩載流子依靠復(fù)合中心復(fù)合，回到平衡狀態(tài)。這時(shí)管壓降又出現(xiàn)一個(gè)負(fù)尖刺。通常t2《t1，所以該尖峰是一個(gè)非常窄的尖脈沖，產(chǎn)生的電磁噪聲比開通時(shí)還要強(qiáng)。因此，整流二極管的反向恢復(fù)干擾也是開關(guān)電源中的一個(gè)重要干擾源。

3  EMI抑制方法

di/dt和dv/dt是開關(guān)電源自身產(chǎn)生電磁干擾的關(guān)鍵因素，減小其中的任何一個(gè)都可以減小開關(guān)電源中的電磁干擾。由上述可知，di/dt和dv/dt主要是由開關(guān)管的快速開關(guān)及二極管的反向恢復(fù)造成的。所以，如果要抑制開關(guān)電源中的EMI就必須解決開關(guān)管的快速開關(guān)及二極管的反向恢復(fù)所帶來的問題。
3.1 并接吸收裝置

采取吸收裝置是抑制電磁干擾的好辦法。吸收電路的基本原理就是開關(guān)在斷開時(shí)為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD。此類吸收電路的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、便于實(shí)施，所以是常用的抑制電磁干擾的方法。 
 

（1）并接RC電路

在開關(guān)管T兩端加RC吸收電路,如圖3所示。在二次整流回路中的整流二極管D兩端加RC吸收電路,如圖5所示,抑制浪涌電流。
（2）并接RCD電路
在開關(guān)管T 兩端加RCD吸收電路,如圖4所示。

3.2 串接可飽和磁芯線圈

二次整流回路中,與整流二極管D串接可飽和磁芯的線圈,如圖5所示?？娠柡痛判揪€圈在通過正常電流時(shí)磁芯飽和,電感量很小,不會(huì)影響電路正常上作。一旦電流要反向時(shí),磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢,阻止反向電流的上升。因此，將它與二極管D串聯(lián)就能有效地抑制二極管D的反向浪涌電流。

3.3 傳統(tǒng)準(zhǔn)諧振技術(shù)

一般來說，可以采用軟開關(guān)技術(shù)來解決開關(guān)管的問題，如圖6所示。圖6給出了開關(guān)管工作在軟開關(guān)條件下的開關(guān)軌跡。軟開關(guān)技術(shù)主要減小開關(guān)管上的開關(guān)損耗，也可以抑制開關(guān)管上的電磁干擾。在所有的軟開關(guān)技術(shù)中，準(zhǔn)諧振抑制開關(guān)管上電磁干擾的效果比較好，所以本文以準(zhǔn)諧振技術(shù)為例，介紹軟開關(guān)技術(shù)抑制EMI。所謂準(zhǔn)諧振就是開關(guān)管在電壓谷底開通，見圖7。開關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可完全控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流浪涌與斷開時(shí)電壓浪涌的發(fā)生。采用這種方式不僅能把開關(guān)損耗減到很小，而且能降低噪聲。谷底開關(guān)要求關(guān)斷時(shí)間中儲(chǔ)存在中的能量必須在開關(guān)開通時(shí)釋放掉。它的平均損耗為：

由此公式可以看出，減小會(huì)導(dǎo)致大大降低，從而減小開關(guān)上的應(yīng)力，提高效率，減小dv/dt，即減小EMI。 

3.4 LLC串聯(lián)諧振技術(shù)

圖8為LLC串聯(lián)諧振的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，兩個(gè)主開關(guān)Ql和Q2構(gòu)成一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是固定50％占空比的互補(bǔ)信號(hào)，電感Ls、電容Cs和變壓器的勵(lì)磁電感Lm構(gòu)成一個(gè)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)。在LLC串聯(lián)諧振變換器中，由于勵(lì)磁電感Lm串聯(lián)在諧振回路中，開關(guān)頻率可以低于LC的本征諧振頻率fs，而只需高于LLC的本征諧振頻率fm便可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的零電壓開通。所以，LLC串聯(lián)諧振可以降低主開關(guān)管上的EMI，把電磁輻射干擾(EMI)減至最少。在LLC諧振拓?fù)渲?，只要諧振電流還沒有下降到零，頻率對輸出電壓的調(diào)節(jié)趨勢就沒有變，即隨著頻率的下降輸出電壓將繼續(xù)上升，同時(shí)由于諧振電流的存在，半橋上下兩個(gè)主開關(guān)的零電壓開通條件就得以保證。因此，LLC諧振變換器的工作頻率有一個(gè)下限，即Cs與Ls和Lm的串聯(lián)諧振頻率fm。在工作頻率范圍fm<f<fs內(nèi)，原邊的主開關(guān)均工作在零電壓開通的條件下，并且不依賴于負(fù)載電流的大小。同時(shí)，副邊的整流二極管工作在斷續(xù)或臨界斷續(xù)狀態(tài)下，整流二極管可以零電流條件下關(guān)斷，其反向恢復(fù)的問題得以解決，不再有電壓尖峰產(chǎn)生。 
 
    

4  抑制方法對比分析研究

采用并聯(lián)RC吸收電路和串聯(lián)可飽和磁芯線圈均為簡單常用的方法，主要是抑制高電壓和浪涌電流，起到吸收和緩沖作用，其對EMI的抑制效果相比準(zhǔn)諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)較差。下面著重對準(zhǔn)諧振技術(shù)與LLC串聯(lián)諧振技術(shù)進(jìn)行比較分析。在準(zhǔn)諧振中加入RCD緩沖電路，即由二極管，電容器和電阻組成的尖峰電壓吸收電路，其主要作用是用來吸收MOSFET功率開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的上升沿尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止功率開關(guān)管過電壓擊穿。但是，這樣將會(huì)增加損耗，而且由于緩沖電路中采用了二極管，也將增加二極管的反向恢復(fù)問題。由上述分析可以看出，準(zhǔn)諧振技術(shù)主要減小開關(guān)管上的開關(guān)損耗，也可以抑制開關(guān)管上的電磁干擾，但是它不能抑制二極管上的電磁干擾，而且當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，頻率提高；當(dāng)輸出負(fù)載增大時(shí)，頻率降低，所以它的抑制效果不是很好，一般不能達(dá)到人們所希望的結(jié)果。所以如果想得到更好的抑制效果，必須解決二極管上的反向恢復(fù)問題，這樣抑制效果才能令人們滿意。LLC串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比準(zhǔn)諧振抑制EMI的效果好。其優(yōu)點(diǎn)已在上面進(jìn)行了分析。 
    
5  結(jié)語
隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，其體積越來越小，功率密度越來越大，EMI問題已經(jīng)成為開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。開關(guān)電源內(nèi)部開關(guān)管及二極管是EMI主要發(fā)生源。本文主要介紹了四種抑制開關(guān)管及二極管EMI的方法并進(jìn)行了分析對比，目的是找到更為有效的抑制EMI的方法。通過分析對比得出LLC串聯(lián)諧振技術(shù)的抑制效果較好，而且其效率隨電壓升高而升高，其工作頻率隨電壓變化較大，而隨負(fù)載的變化較小。

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