電源適配器EMI確實(shí)和開(kāi)關(guān)頻率不成線(xiàn)性關(guān)系

在我接觸EMI前，很多電源適配器工程師以他們有豐富的EMI調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)鄙視我們這些菜鳥(niǎo)，搞的我一直以為EMI是門(mén)玄學(xué)，也有很多人動(dòng)不動(dòng)就拿EMI出來(lái)嚇人。我想說(shuō)電源適配器EMI確實(shí)很難理解，很難有精確的紙面設(shè)計(jì)，但是通過(guò)研究我們還是能知道大概趨勢(shì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，而不是一些工程嘴里完全靠trial and error的流程。

這就是我們電源適配器工程師外出機(jī)構(gòu)做測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室~

我先給出結(jié)論，電源適配器EMI確實(shí)和開(kāi)關(guān)頻率不成線(xiàn)性關(guān)系，某些開(kāi)關(guān)頻率下，EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率較高，但是總體趨勢(shì)而言，是開(kāi)關(guān)頻率越高，電源適配器EMI體積越??！

我知道很多人開(kāi)始噴我了，怎么可能，di/dt和dv/dt都大了，怎么可能EMI濾波體積還小了。我想說(shuō)一句，共模和差模濾波器的沒(méi)有區(qū)別，相同的截止頻率下，高頻的衰減更大！就算你高頻下共模噪聲越大，但是你的記住，這個(gè)頻率下LC濾波器的衰減更大，想想幅頻曲線(xiàn)吧。為了說(shuō)明這個(gè)結(jié)論，我給出一些定量分析結(jié)果。這些EMI分析均基于AC/DC三相整流，拓?fù)錇榫S也納整流。我分別給出了1Mhz和500Khz的共模噪聲，可以看出，500khz共模濾波器需要的截止頻率為19.2kHz，1MHz為31.2kHz。

這張圖給出了不同頻率下共模和差模濾波器轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系，可以看出，一些低頻點(diǎn)EMI濾波器體現(xiàn)出了非常好的特性。例如70Khz，140Khz。而這兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率是工業(yè)界常用的兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率，非常討巧，因?yàn)镋MI噪聲測(cè)試是150KHz到30MHz。不過(guò)這個(gè)也與拓?fù)溆嘘P(guān)。

以上數(shù)據(jù)均基于仿真，雖然不能精確的反應(yīng)EMI噪聲的大小，但是趨勢(shì)肯定是正確的。說(shuō)了這么多，我只想表明，開(kāi)關(guān)頻率的選取相當(dāng)有學(xué)問(wèn)。如果要以高功率密度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，開(kāi)關(guān)頻率并不是越高越好，而是有一個(gè)最佳轉(zhuǎn)折點(diǎn)。下面2張圖給出了維也納整流器和BUCK-type整流器的功率密度趨勢(shì)，可以看出，最佳功率密度點(diǎn)不是一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)那些拍著腦瓜選開(kāi)關(guān)頻率，解決EMI問(wèn)題并且鄙視過(guò)我的老工程師，我還是懷有很大敬意的，但是我想說(shuō)的是，如果真正想設(shè)計(jì)一臺(tái)最高功率密度的變換器，詳細(xì)的考證是值得的，還不是單純依靠經(jīng)驗(yàn)，況且經(jīng)驗(yàn)背后也是一定有理論支持。

我不禁問(wèn)個(gè)問(wèn)題，都有EMI濾波器，EMI噪聲都符合標(biāo)準(zhǔn)，為啥高頻干擾大。難道大家在實(shí)際工程遇到高頻干擾是個(gè)假象？不是的，舉一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，剩下的自己思考吧。

在輸入電壓較高的場(chǎng)合中，一般開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的都需要隔離。我們知道隔離后一端的地一般要接到懸浮開(kāi)關(guān)管的源端，一般這一點(diǎn)的電平是跳變的，以氮化鎵晶體管為例，這點(diǎn)電壓變化率可以達(dá)到140kV/us。而隔離芯片前一端的地是與控制地連接的，你隨便看看隔離模塊電源的手冊(cè)，原副邊耦合的寄生電容一般在60pF左右，也是就說(shuō)在高速開(kāi)關(guān)瞬間，會(huì)產(chǎn)生大約6A的電流從副邊的地通過(guò)電容耦合到原邊，原邊的地電平肯定瞬間產(chǎn)生尖峰，整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。所以做高頻的時(shí)候，隔離電源的地線(xiàn)千萬(wàn)不要平行的鋪在2層PCB中，干擾效果會(huì)更加強(qiáng)烈。

同時(shí)選隔離芯片的時(shí)候也需要注意一個(gè)參數(shù)叫做CM transient immunity（肯定會(huì)給的），這個(gè)參數(shù)最好大于開(kāi)關(guān)瞬間，橋臂中點(diǎn)電平的變化速率。光耦隔離這個(gè)參數(shù)一般在30kV/us，磁耦在35kV/us，電容耦合在50kV/us（是不是絕望了，都比氮化鎵低，硅器件一般在10kV/us,Sic 30kV/us）。

還有很多細(xì)節(jié)可以引起干擾，不過(guò)真的不是EMI噪聲做的孽。

我先簡(jiǎn)單的把以上內(nèi)容總結(jié)一下：

電源適配器不是開(kāi)關(guān)頻率越高，功率密度就越高，目前這個(gè)階段來(lái)說(shuō)真正阻礙功率密度提高的是散熱系統(tǒng)和電磁設(shè)計(jì)（包括EMI濾波器和變壓器）和功率集成技術(shù)。

慎重選擇開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)極大的影響整個(gè)變化器的功率密度，而且針對(duì)不同器件，拓?fù)?，最佳的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。

高頻確實(shí)產(chǎn)生很多很難解決的干擾問(wèn)題，往往要找到干擾回路，然后采取一些措施。

為了繼續(xù)維持電力電子變換器功率密度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，高頻肯定是趨勢(shì)。只是針對(duì)高頻設(shè)計(jì)的電力電子技術(shù)很不成熟，相關(guān)配套芯片沒(méi)有達(dá)到要求，一些高頻的電源適配器電磁設(shè)計(jì)理論不完善和精確，使用有限元軟件分析將大大增加開(kāi)發(fā)周期。