开关电源中控制EMI的方法分享

hOpE_adlsong201 2023-01-06 1423

EMC/EMI设计

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反激变换器次级输出整流二级管或同步MOSFET，放在高端（输出电源端）或放在低端（输出地端），这二种情况下，电源系统EMI结果会有较大差异。通常，其放在高端EMI效果更好、余量更大，下面就来分析这个原因。

开关电源中，功率器件高频开通、关断操作导致电流和电压的快速变化是产生EMI的主要原因。

电路的电感及寄生电感中快速电流变化产生磁场，从而产生较高电压尖峰：

VL = LS · diL /dt

电路的电容及寄生电容中快速电压变化产生电场，从而产生较高电流尖峰：

iC = C · duc /dt

磁场和电场的干扰噪声，和变化的电压和电流及耦合通道如寄生电感和电容直接相关，控制EMI的主要方法有：

1、减小电压变化率du/dt和电流变化率di/dt

如控制开关管的开关速度、外部使用吸收电路等。

2、减小相应寄生杂散电感和寄生耦合电容

如开关管所在回路尽可能短并用宽的PCB 铜箔，减小电压动态变化的开关节点的PCB铜箔面积；优化变压器结构，减少绕组层数、初级采用三明治绕法、初级和次级绕组之间增加屏蔽铜皮或屏蔽绕组。

3、干扰噪声电流的补偿抵消

初级和次级绕组之间增加补偿绕组、优化初级和次级的动点和静点的位置，让干扰的电流信号相互抵消。电压不发生变化的节点，称为静点；电压发生变化的节点，称为动点。

次级输出整流二级管或同步MOSFET，放在高端和放在低端EMI的差异，就是上面第3种情况。

反激变换器变压器次级绕组的上端和开关节点SW（功率MOSFET的漏极）为同名端，如图1所示。C1为开关节点SW和次级绕组下端之间的寄生电容；C2为初级电源正端和次级绕组上端之间的寄生电容；CSW为开关节点的空间寄生电容；C3为输出地的空间寄生电容。

整流管

图1 反激变换器的寄生电容

1、输出整流二极管放在高端

输出整流二极管放在高端，输入的电源正端、次级绕组下端（输出地）是静点。

开关管关断时，功率MOSFET的VDS电压以非常大的dV/dt上升，如图2所示。

整流管

图2 反激变换器的工作波形

初级和次级的寄生电容C1在dV/dt的影响下，初级和次级之间产生干扰电流信号I1。同样，次级绕组上端电压也随之以一定的dV/dt上升，初级和次级的寄生电容C2在dV/dt的影响下，初级和次级之间产生干扰电流信号I2。C1的电流I1、C2的电流I2，它们的方向如图3所示。

整流管

图3 整流管放高端寄生电容的电流方向

变压器次级的干扰电流信号都要通过输出地的空间电容C3流回到检测设备大地，因此，流过C3的电流IGND为：

IGND = I1 - I2

可以看到，干扰电流I1的一部分通过I2流过到初级，减少总的干扰电流IGND，相当于通过C2补偿、抵消一部分C1产生的干扰电流。

2、输出整流二极管放在低端

输出整流二极管放在低端，输入电源正端、次级绕组上端（电源输出）是静点。

开关管关断时，C2中没有干扰电流流过。次级绕组下端电压，却以一定的dV/dt下降，因此，寄生电容C1之间总的dV/dt变大，那么，初级和次级之间产生干扰电流信号I1’就会大于I1；同时，这个电流全部流向输出地的空间电容C3：

IGND‘= I1’> I1 > IGND

C1的电流I1‘、C3的电流I3’，它们的方向如图4所示。可以看到，C1产生的干扰电流无法得到C2的补偿、抵消，因此，EMI结果变差。

整流管

图4 整流管放低端寄生电容的电流方向

编辑：黄飞

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