關于驅動信號特性提取傳導EMI對消技術研究的分析和介紹

針對目前EMI濾波器在開關電源傳導路徑上抑制電磁干擾 (EMI) 的方法仍存在著體積大、抑制效果不佳的問題，本文提出驅動信號特性提取的傳導EMI對消技術。該方法基于開關器件驅動信號與傳導EMI的特性關系，通過提取驅動信號以從干擾源處抑制開關電源傳導EMI，減少了從干擾路徑上抑制傳導EMI所帶來的體積及成本的問題。建立共模干擾數學模型并設計調理電路以對消主回路中的干擾信號；搭建仿真模型進行仿真分析，搭建實驗測試平臺，利用羅德施瓦茨 (R&S)EMI接收機實驗測試傳導EMI，仿真及實驗結果表明本文提出的對消技術可有效降低開關電源工作中產生的傳導EMI。

Abstract：At present for EMI filters in conducted path of switching power supply suppression method still have the problem of large volume and suppression effect not well. This paper proposed a novel method that switching device driving signal feature extraction cancellation technology of conducted EMI. This method based on the feature mechanism of switching device driving signal and conducted EMI, suppress conducted EMI of switching power supply from EMI noise source by extract driving signal, and reduced volume and cost problems from interference path suppression EMI. Set up the common-mode(CM) interference mathematical model and design conditioning circuit to cancellation interference signal of main circuit; Establish simulation model to simulate analysis, and set up experimental test platform test the conducted EMI using R&S EMI receiver, the simulation and experimental results shows that this paper proposed cancellation technology can effectively reduce the EMI noise of produced in the working of switching power supply.

Key words: Electromagnetic interference (EMI), cancellation technology, driving signal, feature extraction

1. 引言

隨著開關電源小型化、高頻化的發展，其產生的傳導EMI噪聲問題日益突出，會導致電子設備運行中性能的降級；同時，隨著開關電源設計的要求及工藝需求的不斷提升及EMC國際標準的提高，使得抑制開關電源傳導EMI顯得尤為必要。也出現了各種新型的EMI抑制技術不斷發展以適應目前的發展形勢[1-3]。

現階段普遍的抑制EMI方式均是在干擾傳播路徑上對其進行抑制，主要以無源濾波及有源濾波技術為主[4-7]；但這種從干擾路徑上抑制EMI的方式是一種被動的抑制方式，且抑制效果不佳?？紤]從干擾源處主動對開關電源EMI進行抑制是抑制技術的最佳選擇[8-9]，且能更有效的從根本上解決EMI問題。

目前使用的有通過向干擾裝置的電源側注入與原有噪聲電流大小相等方向相反的補償電流信號，以對消噪聲源處的干擾電流信號[10]，但存在檢測信號不準確或其信號不能真實反映EMI的問題；還有通過改變現有的功率變換器拓撲，利用阻抗平衡的方法消除差模干擾的方法[11-12]；利用電路中的開關功率器件固有的寄生電容在功率電路中構造動態電位平衡節點對的方法，在該節點對處流過反相的共模電流而抵消干擾電流[13]。然而，這些方法均是基于對消的理念設計外部電路，控制干擾電流信號的流通方式，并未考慮產生干擾的源頭及開關器件自身與干擾信號的關系；本文將考慮從產生干擾的開關器件本身出發，研究驅動信號與其控制的開關器件產生的傳導EMI特性，以從干擾源處解決傳導EMI的問題。

針對以上存在的問題，本文提出驅動信號特性提取的EMI對消技術；從感應加熱電源工作中的干擾源處出發，探究驅動信號與傳導EMI的特性機理并設計對消技術的調理電路來抑制共模干擾，實現對消技術抑制傳導EMI的目的。建立共模干擾模型及數學模型，通過搭建仿真模型及實驗測試平臺驗證了本文提出的驅動信號特性提取的傳導EMI對消技術可有效的抑制開關電源傳導EMI。

2. 干擾源的建立及建模

本文用淬火用感應加熱電源作為EMI干擾源，開關電源為20 kHz、1 kW的單相感應加熱電源，其主電路拓撲如圖1所示。傳導EMI信號的產生是由于開關電源開關器件的高頻化而造成，電源開關器件的開關時刻橋臂中點對參考地產生不斷變化的電位對寄生電容Cpi進行充放電，從而產生EMI而影響電網側，其電源工作時的共模干擾流通路徑如圖1中曲線所示。

圖1 作為EMI干擾源的電源主電路

本文將重點研究共模干擾，干擾回路中加入LISN（線性阻抗穩定網絡）檢測電路，為干擾信號提供流通路徑并測試干擾信號大小。圖2所示為電源主回路共模干擾的等效回路及其簡化模型。

圖2中C2為回路LISN上的電容0.1μF，Lc為直流母線上的電感值1.2μH，R2為50Ω，Rd、RT分別為二極管及開關管的動態電阻，Rc為等效干擾回路的等效電阻，Cp1是寄生電容220pF，E為等效干擾電壓源120 V，Req、Leq、Ceq分別為等效的電阻、電感、電容值。

圖2 共模干擾等效電路

圖3 共模干擾源等效電壓波形

且Req=R2+Rd+Rc+RT，Ceq=C2//Cp1，Leq=Lc，通常將干擾源等效為如圖3所示的梯形波。

根據干擾電流信號表達式列寫不同時段電流信號時域表達式并使用MATLAB軟件繪制共模干擾電流時域波形如圖4所示。

圖4 共模電流時域波形

通過圖4可看出在等效電壓源整個階段對開關電源的數學建模，共模干擾電流時域波形完全反映了數學建模表達式呈現的指數衰減振蕩趨勢。

3. 有源對消技術

3.1 驅動信號與EMI關系探究

干擾信號的產生是由開關器件高頻化工作時電位跳變，在A、B兩點產生瞬時的高脈沖電壓、電流信號對寄生電容進行充放電而形成的；PWM驅動信號控制開關管的工作，電路中產生的干擾信號與提供驅動的PWM信號有著必然的關系，所以探究干擾源處驅動信號與EMI的關系為對消技術從干擾源處抑制傳導EMI提供理論依據。圖5所示為本文設計的基于驅動信號特性提取的傳導EMI對消電路模型。

圖5 EMI對消技術電路模型

圖6所示為驅動信號與干擾信號仿真波形，式(4)、(5)為驅動信號與EMI信號幅值比及相位差關系式，m為系數值。

圖6 驅動信號與EMI仿真波形

從圖6中可看出干擾信號的產生是在驅動信號上升或下降沿的時刻，二者明顯有幅值上的比例關系，且存在有θ角的相位差。從抑制EMI方面考慮，需要降低干擾信號幅值并補償兩信號間的相位差，可通過提取開關器件的驅動源信號并設計無源電路對提取的驅動信號進行相位補償及幅值調理，使得調理后的信號與電源線上的EMI信號幅值相等、相位相反，即可對消電源線上的傳導EMI信號。

3.2 調理電路設計

根據驅動信號與EMI信號的幅值、相位關系設計調理電路如圖7（a）所示，圖7（b）所示為上、下半橋調理電路單獨工做時的等效電路模型。

圖7 調理電路等效模型

4. 有源對消仿真分析

搭建如圖5中無調理電路部分的主電路仿真模型，仿真中由LISN測試傳導的EMI大小，分別測試無對消技術和有對消技術的電源傳導EMI大小如圖8所示。

從圖8中看到無對消技術的電源回路中產生了較大的EMI信號，低頻達到0.8 V (118 dBμV) 左右；而有對消技術的仿真波形中明顯傳導EMI降低了，低頻部分降低至0.06 V (95.56 dBμV) 左右，而高頻部分整體上EMI較小，仿真說明了本文提出的驅動信號特性提取的對消技術可有效的降低開關電源傳導EMI。

圖8 電源主回路共模干擾仿真

5. 實驗驗證

根據本文提出的設計方案要求，在理論及仿真分析的基礎上，根據國標GB 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》規定，搭建如圖9（a）所示的開關功率變換器傳導EMI系統測試平臺，基于羅德施瓦茨 (R&S) LISN (線性阻抗穩定網絡)及EMI接收機搭建如圖9所示的實驗測試平臺。

圖9 傳導EMI測試平臺

從上圖可以看出，測試平臺主要包括垂直金屬接地平板、水平金屬接地平板和桌面參考接地平板三塊接地板和高度為80厘米的非導電桌組成，被測設備EUT、LISN和EMI接收機放在非導電桌上，通過輸入電纜相互連接，對應實物測試平臺如圖9 (b)所示。實際測試金屬接地板采用2毫米厚的鋁金屬板，水平和垂直接地平板寬度為1.6米，長度為2米，桌子高度為0.8米，桌面上金屬接地板和水平接地平板保持平行，其厚度也為2毫米，寬度為0.7米，長度為1.6米。LISN和EMI接收機通過射頻電纜 (RF) 相連，其中EMI接收機型號為：R&S ESL-3。LISN輸入端口和穩壓源輸出電壓相連，其輸出端口和開關功率變換器相連，保證測試結果的重復性和可比性，并在測量點提供一個標準的負載阻抗。相對于穩壓源內阻抗，LISN的串聯阻抗較大，因此從EMI干擾源朝輸入電源側看的總等效阻抗受穩壓源及電網阻抗變化的影響大大減??；另一方面，LISN為EMI干擾源提供一個高頻濾波電路，濾除可能由電網進入電路的高頻噪聲，保證測量結果的可靠性，本文采用的線性阻抗穩定網絡型號為：ENV216。

通過上電測試，圖10為主電路輸出電壓、電流波形，負載輸出電壓、電流波形滿足諧振狀態。通過搭建的電源實驗測試平臺測試實際電源傳導EMI大小，圖11所示分別為無對消技術和有對消技術的電源傳導EMI測試波形。

圖10 主電路輸出波形

從圖11（a）中可看出未采用對消技術的電源回路傳導EMI達到90 dBμV左右；而圖11 (b)所示為采用對消技術的傳導EMI測試，其大小降低至70 dBμV左右的范圍，明顯采用對消技術后，傳導EMI大小得到降低，即本文提出的對消技術可有效抑制電源傳導EMI，且符合設計要求。

圖11 傳導EMI實驗測試

本文基于傳導EMI與驅動信號間的特性機理，提出了驅動信號特性提取的傳導EMI對消技術。確定干擾源并建立共模干擾等效電路模型，設計調理電路對驅動信號進行反向比例、相位補償處理；最后搭建仿真模型及實驗測試平臺，仿真及實驗測試共同驗證了在不增加體積的前提下本文提出的對消技術可有效地從干擾源處抑制電源傳導EMI。該有源對消技術從干擾源處更好的抑制了傳導EMI，但在差模抑制方面還需要進一步研究，該技術也將成為抑制EMI方面的一種新的發展趨勢。