关于驱动信号特性提取传导EMI对消技术研究的分析和介绍

针对目前EMI滤波器在开关电源传导路径上抑制电磁干扰 (EMI) 的方法仍存在着体积大、抑制效果不佳的问题，本文提出驱动信号特性提取的传导EMI对消技术。该方法基于开关器件驱动信号与传导EMI的特性关系，通过提取驱动信号以从干扰源处抑制开关电源传导EMI，减少了从干扰路径上抑制传导EMI所带来的体积及成本的问题。建立共模干扰数学模型并设计调理电路以对消主回路中的干扰信号；搭建仿真模型进行仿真分析，搭建实验测试平台，利用罗德施瓦茨 (R&S)EMI接收机实验测试传导EMI，仿真及实验结果表明本文提出的对消技术可有效降低开关电源工作中产生的传导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

随着开关电源小型化、高频化的发展，其产生的传导EMI噪声问题日益突出，会导致电子设备运行中性能的降级；同时，随着开关电源设计的要求及工艺需求的不断提升及EMC国际标准的提高，使得抑制开关电源传导EMI显得尤为必要。也出现了各种新型的EMI抑制技术不断发展以适应目前的发展形势[1-3]。

现阶段普遍的抑制EMI方式均是在干扰传播路径上对其进行抑制，主要以无源滤波及有源滤波技术为主[4-7]；但这种从干扰路径上抑制EMI的方式是一种被动的抑制方式，且抑制效果不佳。考虑从干扰源处主动对开关电源EMI进行抑制是抑制技术的最佳选择[8-9]，且能更有效的从根本上解决EMI问题。

目前使用的有通过向干扰装置的电源侧注入与原有噪声电流大小相等方向相反的补偿电流信号，以对消噪声源处的干扰电流信号[10]，但存在检测信号不准确或其信号不能真实反映EMI的问题；还有通过改变现有的功率变换器拓扑，利用阻抗平衡的方法消除差模干扰的方法[11-12]；利用电路中的开关功率器件固有的寄生电容在功率电路中构造动态电位平衡节点对的方法，在该节点对处流过反相的共模电流而抵消干扰电流[13]。然而，这些方法均是基于对消的理念设计外部电路，控制干扰电流信号的流通方式，并未考虑产生干扰的源头及开关器件自身与干扰信号的关系；本文将考虑从产生干扰的开关器件本身出发，研究驱动信号与其控制的开关器件产生的传导EMI特性，以从干扰源处解决传导EMI的问题。

针对以上存在的问题，本文提出驱动信号特性提取的EMI对消技术；从感应加热电源工作中的干扰源处出发，探究驱动信号与传导EMI的特性机理并设计对消技术的调理电路来抑制共模干扰，实现对消技术抑制传导EMI的目的。建立共模干扰模型及数学模型，通过搭建仿真模型及实验测试平台验证了本文提出的驱动信号特性提取的传导EMI对消技术可有效的抑制开关电源传导EMI。

2. 干扰源的建立及建模

本文用淬火用感应加热电源作为EMI干扰源，开关电源为20 kHz、1 kW的单相感应加热电源，其主电路拓扑如图1所示。传导EMI信号的产生是由于开关电源开关器件的高频化而造成，电源开关器件的开关时刻桥臂中点对参考地产生不断变化的电位对寄生电容Cpi进行充放电，从而产生EMI而影响电网侧，其电源工作时的共模干扰流通路径如图1中曲线所示。

图1 作为EMI干扰源的电源主电路

本文将重点研究共模干扰，干扰回路中加入LISN（线性阻抗稳定网络）检测电路，为干扰信号提供流通路径并测试干扰信号大小。图2所示为电源主回路共模干扰的等效回路及其简化模型。

图2中C2为回路LISN上的电容0.1μF，Lc为直流母线上的电感值1.2μH，R2为50Ω，Rd、RT分别为二极管及开关管的动态电阻，Rc为等效干扰回路的等效电阻，Cp1是寄生电容220pF，E为等效干扰电压源120 V，Req、Leq、Ceq分别为等效的电阻、电感、电容值。

图2 共模干扰等效电路

图3 共模干扰源等效电压波形

且Req=R2+Rd+Rc+RT，Ceq=C2//Cp1，Leq=Lc，通常将干扰源等效为如图3所示的梯形波。

根据干扰电流信号表达式列写不同时段电流信号时域表达式并使用MATLAB软件绘制共模干扰电流时域波形如图4所示。

图4 共模电流时域波形

通过图4可看出在等效电压源整个阶段对开关电源的数学建模，共模干扰电流时域波形完全反映了数学建模表达式呈现的指数衰减振荡趋势。

3. 有源对消技术

3.1 驱动信号与EMI关系探究

干扰信号的产生是由开关器件高频化工作时电位跳变，在A、B两点产生瞬时的高脉冲电压、电流信号对寄生电容进行充放电而形成的；PWM驱动信号控制开关管的工作，电路中产生的干扰信号与提供驱动的PWM信号有着必然的关系，所以探究干扰源处驱动信号与EMI的关系为对消技术从干扰源处抑制传导EMI提供理论依据。图5所示为本文设计的基于驱动信号特性提取的传导EMI对消电路模型。

图5 EMI对消技术电路模型

图6所示为驱动信号与干扰信号仿真波形，式(4)、(5)为驱动信号与EMI信号幅值比及相位差关系式，m为系数值。

图6 驱动信号与EMI仿真波形

从图6中可看出干扰信号的产生是在驱动信号上升或下降沿的时刻，二者明显有幅值上的比例关系，且存在有θ角的相位差。从抑制EMI方面考虑，需要降低干扰信号幅值并补偿两信号间的相位差，可通过提取开关器件的驱动源信号并设计无源电路对提取的驱动信号进行相位补偿及幅值调理，使得调理后的信号与电源线上的EMI信号幅值相等、相位相反，即可对消电源线上的传导EMI信号。

3.2 调理电路设计

根据驱动信号与EMI信号的幅值、相位关系设计调理电路如图7（a）所示，图7（b）所示为上、下半桥调理电路单独工做时的等效电路模型。

图7 调理电路等效模型

4. 有源对消仿真分析

搭建如图5中无调理电路部分的主电路仿真模型，仿真中由LISN测试传导的EMI大小，分别测试无对消技术和有对消技术的电源传导EMI大小如图8所示。

从图8中看到无对消技术的电源回路中产生了较大的EMI信号，低频达到0.8 V (118 dBμV) 左右；而有对消技术的仿真波形中明显传导EMI降低了，低频部分降低至0.06 V (95.56 dBμV) 左右，而高频部分整体上EMI较小，仿真说明了本文提出的驱动信号特性提取的对消技术可有效的降低开关电源传导EMI。

图8 电源主回路共模干扰仿真

5. 实验验证

根据本文提出的设计方案要求，在理论及仿真分析的基础上，根据国标GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》规定，搭建如图9（a）所示的开关功率变换器传导EMI系统测试平台，基于罗德施瓦茨 (R&S) LISN (线性阻抗稳定网络)及EMI接收机搭建如图9所示的实验测试平台。

图9 传导EMI测试平台

从上图可以看出，测试平台主要包括垂直金属接地平板、水平金属接地平板和桌面参考接地平板三块接地板和高度为80厘米的非导电桌组成，被测设备EUT、LISN和EMI接收机放在非导电桌上，通过输入电缆相互连接，对应实物测试平台如图9 (b)所示。实际测试金属接地板采用2毫米厚的铝金属板，水平和垂直接地平板宽度为1.6米，长度为2米，桌子高度为0.8米，桌面上金属接地板和水平接地平板保持平行，其厚度也为2毫米，宽度为0.7米，长度为1.6米。LISN和EMI接收机通过射频电缆 (RF) 相连，其中EMI接收机型号为：R&S ESL-3。LISN输入端口和稳压源输出电压相连，其输出端口和开关功率变换器相连，保证测试结果的重复性和可比性，并在测量点提供一个标准的负载阻抗。相对于稳压源内阻抗，LISN的串联阻抗较大，因此从EMI干扰源朝输入电源侧看的总等效阻抗受稳压源及电网阻抗变化的影响大大减小；另一方面，LISN为EMI干扰源提供一个高频滤波电路，滤除可能由电网进入电路的高频噪声，保证测量结果的可靠性，本文采用的线性阻抗稳定网络型号为：ENV216。

通过上电测试，图10为主电路输出电压、电流波形，负载输出电压、电流波形满足谐振状态。通过搭建的电源实验测试平台测试实际电源传导EMI大小，图11所示分别为无对消技术和有对消技术的电源传导EMI测试波形。

图10 主电路输出波形

从图11（a）中可看出未采用对消技术的电源回路传导EMI达到90 dBμV左右；而图11 (b)所示为采用对消技术的传导EMI测试，其大小降低至70 dBμV左右的范围，明显采用对消技术后，传导EMI大小得到降低，即本文提出的对消技术可有效抑制电源传导EMI，且符合设计要求。

图11 传导EMI实验测试

本文基于传导EMI与驱动信号间的特性机理，提出了驱动信号特性提取的传导EMI对消技术。确定干扰源并建立共模干扰等效电路模型，设计调理电路对驱动信号进行反向比例、相位补偿处理；最后搭建仿真模型及实验测试平台，仿真及实验测试共同验证了在不增加体积的前提下本文提出的对消技术可有效地从干扰源处抑制电源传导EMI。该有源对消技术从干扰源处更好的抑制了传导EMI，但在差模抑制方面还需要进一步研究，该技术也将成为抑制EMI方面的一种新的发展趋势。