[电磁兼容]开关电源的电磁兼容(EMC)设计研究现状及发展 [复制链接]

　　实现PCB板优化设计的另一种方法是寻找优化的目标函数。文献10提出了一种基于专家系统的EMC解决方案。系统通过读入印刷线路板的设计文件，经计算后辨明印刷线路板上的主要干扰区，根据知识库给出可能的解决方案。然而没有完善的知识库和规则的建立，这种方案仅仅停留在简单的论文阶段。如何确定PCB优化布线时的优化目标函数是最关键的。文献11、12提出的利用现有的PCB自动布线软件包和SPICE仿真器实现的一种具有EMC设计能力的PCB计算机辅助设计软件包是以最短路径为EMC优化布线设计的目标函数，但这是不恰当的，因为高频干扰电流并非以最短路径，而是以最小环路面积传播产生的干扰最小。文献13、14提出了一种基于电场分析的开关电源印刷电路板EMC软件辅助设计方法，其基本思想是根据干扰电场的分布图来安排导线的大致位置，依据实时的耦合系数计算结果来及时地调整导线的方向、大小、形状，使工程师在布线设计过程中就将潜在的干扰问题解决掉，而不是等产品试制成功但不能通过EMC标准时再采取补救措施。13在耦合系数计算的基础上利用基因算法实现了最优布线，但耦合系数的概念与导体间分布电容相近，因此它仅涉及了减小近电场干扰，而忽略了近磁场干扰，这种方法仍然是片面的。综合来讲，PCB优化布线必须根据不同拓扑在不同工况下EMI的特点定义其优化的目标函数，而不能一概而定。文献15就介绍了一种前级为PFC电路的开关电源传导EMI的仿真软件，它能够较好的处理差模干扰问题。

● 软开关技术

　　通常认为软开关技术的应用有助于电磁干扰水平的降低，原因似乎很明显：若功率MOSFET， IGBT管能在零电压的情况下导通和零电流情况下关断，而快恢复二极管也是软关断的，则可以明显地减小功率回路中功率器件的di/dt 和du/dt，从而可以减小EMI电平。但是，目前的一些研究结果表明答案是否定的，结论并不象人们预料的那样简单。

　　采用相同的主电路拓扑和开关频率，比较硬开关技术和零电压软开关技术的两个变换器所产生的传导EMI电平。实验结果表明，零电压软开关变换器的EMI能谱分布在低频段甚至比硬开关变换器更大一些，只有在较高频率才会得到比硬开关变换器稍低的EMI电平，而且这个差别仅有几个dBmV。

　　研究结果表明，开关电源的EMI电平是由许多因素决定的，简单地认为采用软开关技术就可以减小EMI电平是一种比较片面的认识。因为一方面软开关技术中开关电压或电流产生谐振，在该相对EMI频率较低的谐振频率点上将产生更大的EMI，而其它频谱上的干扰电平相对降低；另一方面，软开关技术中通常需要增加辅助开关电路，这些高di/dt和du/dt的支路对电网入线侧的近场干扰势必会增加电路的EMI。因此，比较软开关技术和硬开关技术的开关电源的传导EMI必须从它们的正常工作的频谱特性和近场干扰的角度出发进行分析，目前不能认定采用软开关技术可以改善开关电源的EMI电平，必须做进一步的研究。

　　● 开关频率调制技术

　　利用频率调制技术降低开关电源的EMI电平，其基本思想是通过调制开关频率fc的方法把集中在开关频率fc及其谐波2 fc、3 fc、…上的能量分散到它们周围的频带上，由此降低各个频率点上的EMI幅值，以达到低于EMI标准规定的限值。开关调频PWM虽然不能降低总的干扰能量，但仍不失为一种保证通过EMI标准认证测试的权宜方法。

　　● 优化功率开关管的驱动电路设计

　　通过缓冲吸收电路，可以延缓功率开关器件的导通/关断过程，从而降低开关电源的EMI电平，但同时会因为附加的吸收电路损耗，导致电源总效率的下降。另一种降低开关电源的EMI电平的方法是选择合适的驱动电路参数，可以在维持电路性能不变的同时降低EMI电平。从优化驱动电路设计的角度改善开关电源的EMI性能，是近年来发展的一个新方向。

　　● 共模干扰的有源抑制技术

　　共模干扰的有源抑制技术是一种从噪声源采取措施抑制共模干扰的方法。这种方法的基本思路是设法从主回路中取出一个与导致EMI干扰的主要开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压，并用它去平衡原开关电压的影响。

　　● EMI滤波器设计技术

　　开关电源产生的EMI以传导干扰为主，而传导干扰又分为差模干扰和共模干扰两种：差模干扰是指存在于相线对中线之间的干扰信号，共模干扰则是指各相线和中线对地线之间的干扰信号。通常共模噪声要比差模噪声产生更大的辐射型EMI。目前抑制传导EMI最有效的方法是利用无源滤波技术即EMI滤波技术。

　　设计电源滤波器时首先要诊断传导干扰中差模干扰和共模干扰的大小。这里重点讨论EMI滤波器的共模抑制特性。

作为一种双端口网络EMI滤波器，它的干扰抑制性能不仅取决于滤波器本身的拓扑结构，很大程度上也受EMI滤波器输入、输出阻抗值的影响。由于EMI滤波器源阻抗和负载阻抗的可变动性以及它们可能直接与电网相连接的特点，电源EMI滤波器的源、副边输入输出阻抗不但不匹配而且常常是未知的,这就导致了EMI滤波器设计不能完全应用成熟的通信用滤波器的设计方法和理论。这是电源滤波器设计面临的主要问题。　　EMI 滤波器设计不合理，轻则会反过来增加电路中的干扰，重则使电路工作不稳定。传统的滤波器用插入损耗来表示其滤波的性能，而插入损耗是在源阻抗和负载阻抗都是50W的条件下定义的。实际在功率变换器中使用时，功率变换器的干扰源阻抗和网侧负载阻抗都不可能是理想的50W，而是复杂的频变函数。文献6中提出了采用插入损耗的方法测量变换器的噪声源阻抗，而且区分了共模干扰源阻抗和差模干扰源阻抗的概念，这为EMI滤波器的设计提供了基础，但在对功率变换器的电磁干扰模型没有准确的认识的情况下，两种干扰源的阻抗实际上无法正确获取。针对插入损耗在实际EMI的设计中无法应用的情况，文献7提出了用更基础的阻抗矩阵代替插入损耗表示滤波器的特性。同样，它也将EMI滤波器分解成差模和共模两部分，然后用HP4194A测量滤波器的阻抗。显然，在已知了干扰源，网侧和滤波器的阻抗后，就可以计算有效的插入损耗了。EMI滤波器中元器件的寄生参数是劣化其滤波性能的主要因素，文献8中研究了寄生参数对EMI滤波器高频特性的影响。因为以上这些原因，EMI滤波器的设计方法也与传统滤波器不一样，文献9中将其归纳成五个步骤，可以作为一种模式进行推广。

除此以外，还有许多因素在设计EMI滤波器时必须加以考虑：例如，所用无源元件必须具有足够的功率容量，必须考虑磁饱和效应和具有高度安全性等。

　　印刷线路板元件布置和布线的计算机辅助设计

　　实践证明，印刷线路板的元件布置和布线设计对开关电源的EMC性能有极大的影响。一台开关电源的EMC性能，往往可以在不增加任何元器件和不改变线路的前提下，通过修改印刷线路板的元件布置和布线设计就可以得到明显的改善。

　　许多文献中都提到了一些简单的布线规则。例如，在开关电源中，最典型的规则就是减小高频电流环路包围的面积和高du/dt导体的面积可以降低EMI电平。高频电流环路是指由功率半导体器件构成的电流回路，Boost电路的高频电流环路就是由功率MOSFET，二极管和输出滤波电容构成的回路。图5所示为一个Boost电路不同的PCB布置图，改变的是高频电流环路和高du/dt导体的面积，其中图A, 图 B的这些面积远大于图C。很明显，图C的PCB的差模和共模干扰都大大降低。

　　尽管存在一些已知的简单的布线规则，但由于有效的分析电磁干扰手段的缺乏，人们在布线阶段往往是采用尝试性的设计方法。一旦产品不能通过EMC标准，可能就要重新设计线路板，这个方法不但非常耗时而且提高了设计成本。为此人们十分关注印刷线路板的元件布置和布线的计算机辅助设计。

　　要实现PCB的元件布置和布线的计算机辅助设计，一种方法是以开关电源的EMI建模仿真为基础。首先建立传导EMI的模型，然后用电路仿真软件预估干扰水平，若干扰水平超过规定限值就修改设计。这样的基本设计思想实际上是把尝试性的设计方法从硬件平台移植到了软件平台上。在目前建模技术仍不够准确的情况下，这种方法是不现实的。