开关电源中的开关管和二极管EMI抑制方法分析 1、引言 电磁干扰(EMI)电磁兼容性不足是破坏性电磁能从一个电子设备传导或辐射到另一个电子设备的过程。近年来，开关电源发展迅速，具有频率高、效率高、体积小、输出稳定等优点。开关电源已逐渐取代线性稳压电源，广泛应用于计算机、通信、自动控制系统、家用电器等领域。但由于开关电源处于高频状态和高频状态di/dt和高dv/dt，开关电源的缺点非常突出——容易产生强电磁干扰(EMI)信号。EMI信号不仅具有广泛的频率范围，而且具有一定的范围。传输和辐射会污染电磁环境，干扰通信设备和电子产品。因此，如何减少甚至消除开关电源EMI问题已成为开关电源设计师非常关注的问题。本文重点介绍开关电源中的开关管和二极管EMI四种抑制方法。 二、开关管及二极管EMI产生机理 开关管在硬开关条件下工作的电磁干扰的根本原因是开关管的高速开关和整流二极管的反向恢复di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和成干扰源。硬开关管也会产生高开关di/dt和高dv/dt，产生大的电磁干扰。图1绘制了在硬开关条件下工作的开关管的开关轨迹。图中的虚线是双极晶体管的安全工作区域。如果开关管的开关条件不改善，其开关轨迹可能超过安全工作区域，导致开关管损坏。由于开关管的高速开关，开关电源中的高频变压器或储能电感等感性负载迫使变压器的初始浪涌电流产生尖峰电压。高频变压器绕组泄漏引起的电流突变在开关管截止日期产生反电势E=-Ldi/dt，其值和电流变化率(di/dt)成正比，与正比，叠加在关闭电压上形成关闭电压峰值，形成电磁干扰。此外，开关管上反向并联二极管的反向恢复特性较差，或电压尖峰吸收电路参数选择不当也会引起电磁干扰。输入整流二极管和输出整流二极管有两个干扰源。它们都是由电流转向引起的干扰。由图2表明，t0=0时，二极管导通，二极管电流迅速增大，但其压降并非立即下降，而是会出现快速上升。原因是二极管在开通过程中PN长基区注入足够的少数载流子，电导调制需要一定的时间tr。冲压会导致宽带电磁噪声。而且存在于关闭时PN结长基区大量过剩的少数载流子需要一段时间才能恢复到平衡状态，导致大量的反向恢复电流。当t=t1时，PN开始反向恢复，在t1-t其时间内，其他过剩载流子依靠复合中心复合，恢复平衡。这时管压降又出现了负尖刺。通常t2《t因此，尖峰是一种非常窄的尖脉冲，产生的电磁噪声比开启时更强。因此，整流二极管的反向恢复干扰也是开关电源的重要干扰源。 
3、EMI抑制方法 di/dt和dv/dt这是开关电源本身产生电磁干扰的关键因素。减少任何一个都可以减少开关电源中的电磁干扰。从以上可以看出，di/dt和dv/dt主要由开关管的快速开关和二极管的反向恢复引起。因此，如果要抑制开关电源EMI必须解决开关管快速开关和二极管反向恢复带来的问题。 3.并接吸收装置 采用吸收装置是抑制电磁干扰的好方法。吸收电路的基本原理是在开关断开时为开关提供旁路，吸收寄生分布参数中积累的能量，从而抑制干扰的发生。常用的吸收电路包括RC、RCD。这种吸收电路的优点是结构简单，价格便宜，实施方便，是抑制电磁干扰的常用方法。 （1）并接RC电路: 添加开关管T两端RC吸收电路，如图3所示。二次整流电路中的整流二极管D两端增加RC如图5所示，吸收电路抑制浪涌电流。 （2）并接RCD电路 在开关管T两端加RCD如图4所示。 3.2串联可饱和磁芯线圈 在二次整流电路中，与整流二极管D串联的可饱和管D串联，如图5所示。当可饱和磁芯线圈通过正常电流时，磁芯饱和，电感非常小，不会影响电路的正常运行。一旦电流反向，磁芯线圈将产生大的反电势，以防止反向电流上升。因此，与二极管D串联可以有效地抑制二极管D的反向浪涌电流。 3.传统的准谐振技术 一般来说，软开关技术可以用来解决开关管的问题，如图6所示。图6显示了软开关条件下开关管工作的开关轨迹。软开关技术主要减少开关管上的开关损耗，也能抑制开关管上的电磁干扰。在所有软开关技术中，准谐振抑制开关管上的电磁干扰效果较好，以准谐振技术为例，介绍了软开关技术的抑制EMI。所谓准谐振，就是电压谷底开关管，见图7。寄生电感和电容作为谐振元件的一部分，可以完全控制电流浪涌和断开时电压浪涌的发生。这样不仅可以减少开关损耗，还可以降低噪音。当开关打开时，谷底开关要求在关闭时间内储存的能量必须释放。其平均损失为： 从这个公式可以看出，减少会大大降低开关上的应力，提高效率，降低效率dv/dt，即减小EMI。 图8为LLC串联谐振拓扑结构。从图中可以看出，两个主开关Ql和Q2构成半桥结构，其驱动信号是固定50%的互补信号，电感Ls、电容Cs以及变压器的励磁电感Lm构成一个LLC谐振网络。在LLC由于励磁电感，在串联谐振变换器中Lm串联在谐振电路中，开关频率可低于LC本征谐振频率fs，而只需高于LLC本征谐振频率fm可实现主开关零电压开启。所以，LLC串联谐振可以减少主开关管上的谐振EMI，干扰电磁辐射(EMI)减至最少。在LLC在谐振拓扑中，只要谐振电流没有下降到零，频率对输出电压的调节趋势就不会改变，即随着频率的下降，输出电压将继续上升。同时，由于谐振电流的存在，保证了半桥上下主开关的零电压开启条件。因此，LLC谐振变换器的工作频率有一个下限，即Cs与Ls和Lm串联谐振频率fm。在工作频率范围内fm<f<fs在内部，原始边缘的主开关在零电压开启条件下工作，不依赖于负载电流的大小。同时，副边的整流二极管工作在断续或临界断续状态下，整流二极管可以零电流条件下关断，其反向恢复的问题得以解决，不再有电压尖峰产生。 4.抑制方法对比分析研究 采用并联RC吸收电路和串联饱和磁芯线圈是抑制高压和浪涌电流、吸收和缓冲的简单常用方法EMI与准谐振技术相比，抑制效果与LLC串联谐振技术较差。以下重点关注谐振技术LLC对串联谐振技术进行比较分析。添加准谐振RCD缓冲电路，即由二极管、电容器和电阻组成的尖峰电压吸收电路，主要用于吸收MOSFET沿尖峰电压能量上升，降低尖峰电压振幅，防止功率开关管过电压击穿。然而，这将增加损失，由于二极管用于缓冲电路，二极管的反向恢复也将增加。从以上分析可以看出，准谐振技术主要减少开关管上的开关损耗，也可以抑制开关管上的电磁干扰，但不能抑制二极管上的电磁干扰，当输入电压增加时，频率增加；当输出负载增加时，频率降低，抑制效果不是很好，一般不能达到预期的效果。所以如果想得到更好的抑制效果，必须解决二极管上的反向恢复问题，这样抑制效果才能令人们满意。LLC谐振抑制EMI的效果好。以上分析了其优点。 5、结语 随着开关电源技术的不断发展，其体积越来越小，功率密度越来越大，EMI问题已成为开关电源稳定性的关键因素。开关电源内部开关管和二极管EMI主要来源。本文主要介绍了四种抑制开关管和二极管EMI目的是找到更有效的抑制EMI的方法。通过分析对比得出结论LLC串联谐振技术具有良好的抑制效果，其效率随电压升高而提高，其工作频率随电压变化较大，负载变化较小。