电源适配器开关电路的EMI模型

电源适配器开关电路在工作的过程中,电路中的电压和电流快速变化,引起两方面的结果,一是部分变化的电流传导到电源适配器输入端和负载端,对连接在电网上的其他设备或者负载形成干扰,这称为传导干扰;另一方面是在空间产生交变电磁场,通过空间耦合和传播对于临近的设备构成干扰,这称为辐射干扰｡

传导干扰的抑制主要从电路方面下手来解决,比如增加EMI滤波器,而辐射干扰则更多的是通过屏敲的方法来抑制｡由于两者传播的机理不同､抑制的方法也不同,因此通常都分开来讨论｡

电源适配器厂冢在这里主要介绍传导EM模型,在最后会定性介绍辐射干扰的产生和传播途径,并简单介绍抑制的方法｡

  在EMI标准中,采用特定的电路来测量一个被测设备(DDUT)产生的传导干扰,其电路见图

  特别需要指出的是,图中画出了参考地,这在分析传导EMI的过程中是非常重要的｡

图中左侧由电感､电容和500电阻构成的电路称为人工120w电源适配器网络(LineIm Stabilization Network-LSN),采用LSN的目的是确定测试时被测设备的输入电源适配器侧的阻抗｡实际的电网阻抗是千差万别的,不可能针对每一种情况都进行测试,因此选择这一特定的网络阻抗作为标准,在这一标准的电网阻抗条件下进行测试｡

而标准规定了每一根输入导体上的传导干扰电流流经LISN,在500电阻上产生的最高电压限制值,该限值以150kHz-30MHz频段的频谱形式给出典型的传导EMI标准的限值见表10-121｡图10-3中给出了2条限值曲线,上面的一条是接收机采用准峰值检波电路时的限值,下面一条是采用平均值检波电路时的限值｡一般来说,符合标准的电磁兼容接收机同时具备这两种检波电路,可以通过设置在两种检波方式间切换｡

  虽然标准规定的是uA和uB的限值,但通过对传导干扰产生机理的分析发现,uA和uB并不是完全无关的两个量,二者之间的差值(uA-uB)与干扰源的某些特征有关,而二者的平均值(uA+uB)2与干扰源的另一些特征有关,因此将uA-u3称为差模成分,而将(uA+uB)/2称为共模成分｡差模成分和共模成分产生的机理有所不同,抑制的措施也有所不同,具有相对的独立性,因此传导EMI的建模以及抑制电路的设计都是针对差模和共模成分分别进行的｡

5伏电源适配器传导EMI标准中限定的干扰信号频率范围是150kHz~30MHz,而在这个频段内,电路产生的电磁波的波长最短也达到10m,远远大于通常开关电路的尺寸,因此电路中的各个导体仍然可以看成是等势体,下面的建模过程都是以这个假设为基础的｡

以图中的Buck电路为例,画出电源适配器侧和负载侧电路后见图｡

图中C,是电路中各个导体与参考地之间的分布电容,电容值很小,通常仅有1~100pF,但却是传导EMI模型的重要参数,不能忽略｡

  适配器研发制造厂商在建立电源适配器传导EMI的模型过程中,需要在以下几个假设条件之下对电路进行简化:

1)电路中的各个导体是等势体｡

传导EMI标准中限定的干扰信号频率范围是150kHz-30MHz,面在这个频段内,电路产生的电磁波的波长最短也达到10m,远远大于通常开关电路的尺寸,因此电路中的各个导体仍然可以看成是等势体,下面的建模过程都是以这个假设为基础的｡

2)电路中的较大的电容可以视为短路｡传导EM标准中限定的干扰信号频率范围是150kHz~30MHz｡例如,当频率为150kHz时,1pF的电容阻抗仅有约l,远远小于电路中其他元件的阻抗,甚至小于很多寄生参数的阻抗,因此大于1μF的电容均视为短路｡当然实际的电容元件存在等效寄生电阻和等效寄生电感,因此不能完全视为短路,但其等效电路中电容部分的阻抗仍可忽略｡

3)较大的电感元件可以视为开路｡同样的道理,在传导EM标准中限定的频段中,电感元件呈现较大的阻抗,当频率为150kHz时,1mH的电感其阻抗约为1kΩ,远远大于其他元件的阻抗,因此可以视为开路｡当然实际的电感元件存在等效并联电容,不能视为开路,但等效电路中的电感部分仍然可以近似按开路处理｡

在这样的假设下,5伏电源适配器将电路中的开关和二极管用电压源来等效,其电压与被替换的开关或二极管的电压相等｡