開(kāi)關(guān)電源之--EMI等效分析

一、開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)EMI 產(chǎn)生的根源

1、測(cè)試傳導(dǎo)EMI 的線路圖

LISN— Line Impedance Stabilization Network 源阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（人工電源網(wǎng)絡(luò)）。

LISN 是電力系統(tǒng)中電磁兼容中的一項(xiàng)重要輔助設(shè)備。它可以隔離電網(wǎng)干擾，提供穩(wěn)定的測(cè)試阻抗，并起到濾波的作用。

LISN 是在進(jìn)行傳導(dǎo)干擾發(fā)射測(cè)試中，為了客觀地考核受試設(shè)備（DUT）的干擾，在電網(wǎng)與受試設(shè)備之間加入的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有以下功能：

1）、在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)提供一個(gè)規(guī)定的穩(wěn)定的線路阻抗。由于電網(wǎng)受各種因素影響，使其線路阻抗不穩(wěn)定?？墒?，在傳導(dǎo)干擾的測(cè)量中，阻抗是非常重要的。為了用電壓法在進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射電壓的測(cè)量中能有一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試條件，而人為的擬制一個(gè)穩(wěn)定的線路阻抗。一般在射頻段提供50Ω網(wǎng)絡(luò)阻抗。

2）、LISN 將電網(wǎng)與受試設(shè)備進(jìn)行隔離。供給DUT 的電源必須是純凈的。否則，電網(wǎng)將會(huì)向DUT 注入干擾，EUT 也會(huì)向電網(wǎng)饋入干擾，這就會(huì)在EMC分析儀上搞不清哪些是EUT 上的干擾。所以，只有將二者隔離，測(cè)量結(jié)果才是有效的。

3）、利用LISN 的高通濾波器使DUT 產(chǎn)生的干擾信號(hào)耦合至EMC 分析儀上，并阻止電網(wǎng)電壓加至EMC 分析儀。供電電源可以是直流，也可以是交流，圖中用直流電壓源表示，負(fù)載用直流電流源表示。

A：在供電電源低頻段，上述EMI 測(cè)試線路可等效為：

此時(shí)L1 和L2 可等效為短路，C1 和C2 可等效為開(kāi)路，低頻電流（功率電流部分）不會(huì)流入LISN 的兩個(gè)測(cè)試電阻，LISN 不影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作點(diǎn)。

B：在EMI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻段內(nèi)，上述EMI 測(cè)試線路可等效為：

此時(shí)L1 和L2 可等效為開(kāi)路，C1 和C2 可等效為短路，無(wú)高頻分量的輸入電壓源和負(fù)載也可分別等效為短路及開(kāi)路，開(kāi)關(guān)電源用其EMI 等效電路等效，它產(chǎn)生的EMI 因LISN 的存在，不會(huì)流進(jìn)輸入，而直接流進(jìn)LISN 的兩個(gè)電阻，其等效電路如下：

電阻R1 和電阻R2 兩端的電壓可以用如下式子進(jìn)行標(biāo)示：

V1（t） 和 V2（t） 分別是線1和線2上的EMI噪聲電壓，測(cè)試時(shí)用其頻譜標(biāo)示，單位為dB/uV，從這個(gè)等效電路可初步判斷，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI 的根源是開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的高頻源及到負(fù)載之途徑的阻抗。實(shí)際交流電源的差模噪聲是由搖擺的（脈動(dòng)）電流產(chǎn)生的——但差模噪聲源與電壓源（電流在阻抗上形成一定的電壓）更為相似。另一方面，共模噪聲是由搖擺的電壓引起的（快速變化的電壓在寄生電容上形成快速變化的電流），但共模噪聲源更像是電流源。這正是共模噪聲更“頑固”的原因，像任何電流源一樣，它們要求有流通的回路。因?yàn)槠渎窂桨C(jī)架，所以外殼變成了高頻天線。

2、產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI的根源

一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI 等效電路，可用下面的一般結(jié)構(gòu)加以表示：

從傳導(dǎo)EMI 等效電路可知，產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI 的根源有三個(gè)，一個(gè)是EMI 源（在開(kāi)關(guān)電源中，往往是功率開(kāi)關(guān)器件電壓或電流波形中的交流分量），一個(gè)是EMI 途徑（與具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)），再一個(gè)是EMI 的負(fù)載。等效電路中的EMI負(fù)載是固定的50Ω電阻，而變換的是EMI 源及EMI 途徑（用EMI 阻抗等效）。如何確定用不同功率變換器、不同控制方式等等實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源之傳導(dǎo)EMI 等效電路是分析和設(shè)計(jì)傳導(dǎo)EMI 濾波器的關(guān)鍵，同時(shí)也是知道抑制傳導(dǎo)EMI 的有力手段。

二、開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI 等效電路

2、反激式開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI 等效電路

（1）電路原理圖

（2）兩種工作模式

在半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)，輸入整流橋有兩種大的工作模式，即：整流橋工作模式Ⅰ和整流橋不工作模式Ⅱ。

（3）工作模式Ⅰ的EMI 等效電路推導(dǎo)

3-A、工作模式Ⅰ的等效電路（正負(fù)半周工作一樣）

在工作模式Ⅰ的情況下，兩種工作工作模式在正負(fù)半周都會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)整流橋是導(dǎo)通工作的。

3-A-1：工作模式Ⅰ在有LISN 時(shí)的等效電路

3-A-2：工作模式Ⅰ在有LISN 時(shí)的等效受控源電路

開(kāi)關(guān)變換器的時(shí)變因素與非線性因素主要是由開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)致的。為了使變換器的等效電路成為線性電路，開(kāi)關(guān)元件平均模型法采取了對(duì)開(kāi)關(guān)元件直接進(jìn)行分析的方法。

首先對(duì)開(kāi)關(guān)元件的電壓或電流變量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)求平均，并用以該平均變量為參數(shù)的受控源代替開(kāi)關(guān)元件，得到等效的平均參數(shù)電路。平均參數(shù)等效電路消除了變量波形中因開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的脈動(dòng)，即消除了時(shí)變因素，但仍然是一個(gè)非線性電路。這樣的電路由于同時(shí)包含了直流分量與交流分量的作用，稱為大信號(hào)等效電路。

其次，若使大信號(hào)等效電路中的各平均變量均等于其對(duì)應(yīng)的直流分量，同時(shí)考慮到直流電路中穩(wěn)態(tài)時(shí)電感相當(dāng)于短路、電容相當(dāng)于開(kāi)路，可以得到變換器的直流等效電路，直流等效電路為線性電路；若使大信號(hào)等效電路中的各平均變量分解為相應(yīng)的直流分量與交流小信號(hào)分量之和，即分離擾動(dòng)，并忽略小信號(hào)分量的乘積項(xiàng)（即二階微小量）使其線性化，再剔除各變量中的直流量，可以得到變換器的小信號(hào)等效電路，小信號(hào)等效電路也為線性電路?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)元件平均模型法的指導(dǎo)思想仍然是求平均、分離擾動(dòng)和線性化。

上圖中開(kāi)關(guān)管Q 等效為受控電壓源，整流二極管D 等效為受控電流源。有源開(kāi)關(guān)Q 時(shí)而接通是輸入電壓Vg，時(shí)而短路，用狀態(tài)變量輸入電壓的平均值表征有源開(kāi)關(guān)元件Q 的端電壓是合理的，因此用一個(gè)電壓控制的受控電壓源來(lái)代替有源開(kāi)關(guān)管Q；無(wú)源開(kāi)關(guān)D 時(shí)而接通副邊電感電流，時(shí)而開(kāi)路，由于電感電流是一個(gè)狀態(tài)變量，用電感電流的平均值表征無(wú)源開(kāi)關(guān)元件D 的平均電流也是合理的，因此用一個(gè)電流控制的受控電流源代替無(wú)源開(kāi)關(guān)元件D。

3-A-3：工作模式Ⅰ在有LISN 時(shí)的等效受控源平均電路（直流等效）

上圖直流等效電路圖中，電感L1 和L2 等效為短路，電容等效為開(kāi)路。

3-A-4：工作模式Ⅰ在有LISN 時(shí)的等效受控源平均電路（交流等效）

在交流等效中，輸出負(fù)載、電感等效開(kāi)路，電容、供電電源等效短路。從圖中可以看到，開(kāi)關(guān)管 Q的交流分量Vds（ac）（t）和二極管 D 的交流分量Id（ac）（t）可以進(jìn)行傅里葉變換，分解成不同頻率成分的正弦波，頻率不一樣，阻抗也隨著變換，再利用疊加原理將不同頻率成分形成的頻譜幅度進(jìn)行相加。

3-B-1：工作模式Ⅰ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

在MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下，副邊電流源開(kāi)路，由于副邊流過(guò)電流為零，所以原邊電流也為零，在此變壓器就不起作用了，只有勵(lì)磁電感Lm，將上述電路圖簡(jiǎn)化其等效電路圖為：

在MOSFET 單獨(dú)作用下，其差模成分路徑為：

其中，差模成分分兩條支路，一條如紅色所示，另一條如藍(lán)色所示。在此等效電路中，濾波電容CB 一條支路給差模成分提供了路徑，可以知道如果減小濾波電容CB 的阻抗，則對(duì)差模成分分流更多，在電阻R1 和R2 形成的電壓會(huì)更小，儀器檢測(cè)幅值更低，一般我們都選取等效串聯(lián)阻抗較小的濾波電容。另一條支路中有激磁電感Lm，單從差模成分的抑制方面考慮，增加激磁電感Lm 的值可以增加阻抗，對(duì)差模成分也有良好的抑制作用。

在MOSFET 單獨(dú)作用下，其共模成分路徑為：

可知，要想有效減小共模成分，則必須要減小寄生電容Cpq 的容值，增加共模流經(jīng)路徑的有效阻抗。

工作模式Ⅰ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 最終等效電路為：

在差模EMI 等效電路中，電阻R1 和電阻R2 處于串聯(lián)流經(jīng)差模電流，在電阻R1 和電阻R2 兩端分別產(chǎn)生電壓為Vdm(t)，故在電阻R1 和電阻R2 串聯(lián)等效電阻100Ω上產(chǎn)生2Vdm(t)。激磁電感Lm 感抗越大對(duì)差模抑制越好，對(duì)差模分量來(lái)說(shuō)，CCM 模式比DCM 差模要好。

工作模式Ⅰ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 最終等效電路

3-B-2：工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路。

在低頻（150KHz）情況下，忽略變壓器寄生電容（在高頻情況下變壓器層間電容、原副邊電容不能忽視）。由于整流二極管對(duì)地電容無(wú)法形成共?；芈?，故在LISN 負(fù)載上無(wú)共模噪聲。

工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI 最終等效電路

差模EMI 等效電路

由于在低頻情況下，副邊二極管對(duì)地寄生電容無(wú)法形成共模回路，故沒(méi)有共模EMI 等效電路。

（4）工作模式Ⅱ的EMI 等效電路推導(dǎo)

4-A：工作模式Ⅱ-Ⅰ的等效電路

在工作模式Ⅱ中，當(dāng)D1-D4 都截止時(shí)，在LISN 上沒(méi)有傳導(dǎo)EMI 噪聲，由下面的測(cè)試EMI 的等效電路可知，因沒(méi)有噪聲路徑，故不會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI 噪聲。這種工作模式也可稱為工作模式Ⅱ-Ⅰ。

4-B：工作模式Ⅱ-Ⅱ的等效電路

在工作模式Ⅱ中，會(huì)出現(xiàn)D1-D4 中的一個(gè)二極管導(dǎo)通，其他三個(gè)二極管截止的情況，在這種情況下的EMI 等效電路與二極管全部截止時(shí)的等效電路不同，與工作模式Ⅰ中的EMI 等效電路不同，這種情況稱為Ⅱ-Ⅱ（非固有差模噪聲）。

原因：在開(kāi)關(guān)電壓變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬間的電容充放電電流，此電流經(jīng)Cpq、大地和LISN 中的一條支路，在電流最大值不能使整流橋中的一個(gè)二極管開(kāi)通時(shí)，其情況就同前面所介紹的，整流橋中的四個(gè)二極管均截止，不會(huì)產(chǎn)生噪聲；

當(dāng)此電流使整流橋中的一個(gè)二極管導(dǎo)通（如0＜VAB＜VCD時(shí)的二極管D1），則其他二極管都會(huì)因反偏而截止，本來(lái)當(dāng)這個(gè)電流減小到零后，二極管D1 應(yīng)當(dāng)截止，當(dāng)由于整流橋中的二極管是非常慢速的，它無(wú)法在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)被關(guān)斷，所以便導(dǎo)致這個(gè)二極管在0＜VAB＜VCD一直導(dǎo)通；這樣整流橋雖然不工作，但有一個(gè)二極管是導(dǎo)通的。

下面分析在整流橋不工作但有一個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)（假定D1 導(dǎo)通）的EMI 等效電路。

4-B-1：工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN 時(shí)的等效受控源平均電路（直流等效）

4-B-2：工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN 時(shí)的等效受控源EMI 電路（交流等效）

4-C-1：工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

上述等效電路中紅色虛線表示共?；芈?，無(wú)差?；芈贰５侵挥须娮鑂1 有噪聲，可以實(shí)際理解為差模噪聲。

工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 最終等效電路

根據(jù)前面的分析，單一元件進(jìn)行作用時(shí)差?；芈泛凸材；芈返穆窂?，可以得出：

當(dāng)有EMI 濾波器時(shí)，這個(gè)噪聲中的差模噪聲可以被轉(zhuǎn)化為共模噪聲，如4-C-1工作模式中的等效電路，加入差模電容Cx。

4-C-1：工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

由于EMI 濾波器中的差模電容Cx，可使模式Ⅱ-Ⅱ中的差模噪聲轉(zhuǎn)化為共模噪聲。

4-C-2：工作模式Ⅱ-Ⅱ在副邊二極管交流分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

故在工作模式Ⅱ-Ⅱ副邊二極管對(duì)共模噪聲和差模噪聲均沒(méi)有影響。

討論：

---工作模式Ⅰ與工作模式Ⅱ下的傳導(dǎo)EMI 是不同的；

---如在工作模式Ⅱ中的四個(gè)二極管均截止，則工作模式因無(wú)噪聲路徑而不產(chǎn)生任何傳導(dǎo)EMI；

---如在工作模式Ⅱ中有一個(gè)二極管導(dǎo)通，其他三個(gè)二極管截止，則工作模式Ⅱ的共模EMI 噪聲與工作模式Ⅰ基本相同，而工作模式Ⅱ的差模噪聲有可能大于工作模式Ⅰ的差模噪聲，也有可能小于工作模式Ⅰ的差模噪聲，原因是工作模式Ⅱ在一個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)有一種非固有的差模噪聲存在；

---非固有差模噪聲可有通過(guò)輸入EMI 濾波器中的X 電容，把其轉(zhuǎn)變成對(duì)稱共模噪聲而完全消除；

---上面的EMI 等效電路，僅僅是EMI 低頻段的理想等效電路；

---實(shí)際的EMI 等效電路，還要考慮變壓器的寄生參數(shù)、PCB Layout 的引線電感等等；

---如考慮變壓器的層間電容時(shí)，在其原副邊間可以用一個(gè)電容參數(shù)，此時(shí)副邊二極管電流分量就會(huì)在EMI 負(fù)載上產(chǎn)生共模噪聲，由于涉及EMI 濾波器參數(shù)時(shí)，只需考慮低頻段的等效電路，故可將這一因素忽略。但對(duì)實(shí)際高頻段的EMI共模噪聲進(jìn)行分析時(shí)，則還要考慮副邊二極管交流分量通過(guò)變壓器層間電容對(duì)共模噪聲的影響。

（5）反激變換器在AC 輸入下的EMI 等效電路總結(jié)：

5-1：工作模式Ⅰ的EMI 等效電路

5-2-1：工作模式Ⅱ-I 的EMI 等效電路

當(dāng)D1-D4 都截止時(shí)，在EMI 負(fù)載上無(wú)任何噪聲，所以無(wú)EMI 等效電路。

5-2-2：工作模式Ⅱ-Ⅱ的EMI 等效電路

在工作模式Ⅱ-Ⅱ中：在原邊MOSFET 電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)，會(huì)有一種非固有差模噪聲，但可用EMI 濾波器中的X 電容將其轉(zhuǎn)化為共模噪聲。在副邊二極管電流單獨(dú)作用時(shí)，因無(wú)噪聲回路，在EMI 負(fù)載上測(cè)不到噪聲，所以其加X(jué) 電容后的EMI等效電容總結(jié)為：

三、開(kāi)關(guān)電源EMI 的高頻等效電路（DC/DC 反激開(kāi)關(guān)電源）

直流反激開(kāi)關(guān)電源的高頻EMI 等效推導(dǎo)：

（1）原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

（1）—A：原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的差模EMI 等效電路從

從差模EMI 在高頻段的等效電路可知，差模等效電路的EMI 源除了和MOSFET電壓波形、激磁電感、濾波電容的ESR 有關(guān)外，還與變壓器、輸入濾波電容和引線的其他寄生參數(shù)有關(guān)。這與在低頻段時(shí)有很大的差別，同樣的EMI 阻抗也與低頻段有很大的差別。

（1）-B 原邊MOSFET 交流電壓分量單獨(dú)作用下的共模EMI 等效電路

從共模EMI 在高頻段的等效電路可知，共模等效電路的EMI 源除了和電壓波形、MOSFET 漏極與散熱器之間的電容有關(guān)外，還與變壓器的層間電容、二極管陰極與散熱器之間的電容及濾波電容的寄生參數(shù)與引線電感等有關(guān)。這與在低頻段時(shí)有很大的差別，同樣的EMI 阻抗也與低頻段有很大的區(qū)別。

（2）：副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI 等效電路

（2）—A：副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的差模EMI 等效電路

從差模EMI 在高頻段的等效電路可知，差模等效電路的EMI 源除了和二極管電流波形、激磁電感、濾波電容的ESR 有關(guān)外，還與變壓器、輸入濾波電容和引線的其他寄生參數(shù)有關(guān)，這與在低頻段有很大的差別，同樣的EMI 阻抗也與低頻段有很大的差別。

（2）—B：副邊二極管交流分量單獨(dú)作用下的共模EMI 的等效電路

從共模EMI 在高頻段的等效電路可知，共模等效電路的EMI 源除了和副邊二極管電流波形有關(guān)外，還與變壓器的層間電容、二極管陰極與散熱器之間的電容及濾波電容的寄生參數(shù)和引線電感有關(guān)。這與在低頻段時(shí)（可看成無(wú)共模路徑）有很大的差別。