一个电源工程师对EMI的见解

在我接触EMI前，很多电源适配器工程师以他们有丰富的EMI调试经验来鄙视我们这些菜鸟，搞的我一直以为EMI是门玄学，也有很多人动不动就拿EMI出来吓人。我想说电源适配器EMI确实很难理解，很难有精确的纸面设计，但是通过研究我们还是能知道大概趋势指导设计，而不是一些工程嘴里完全靠trial and error的流程。

这就是我们电源适配器工程师外出机构做测试的实验室~

我先给出结论，电源适配器EMI确实和开关频率不成线性关系，某些开关频率下，EMI滤波器的转折频率较高，但是总体趋势而言，是开关频率越高，电源适配器EMI体积越小！    
    
我知道很多人开始喷我了，怎么可能，di/dt和dv/dt都大了，怎么可能EMI滤波体积还小了。我想说一句，共模和差模滤波器的没有区别，相同的截止频率下，高频的衰减更大！就算你高频下共模噪声越大，但是你的记住，这个频率下LC滤波器的衰减更大，想想幅频曲线吧。
 
为了说明这个结论，我给出一些定量分析结果。这些EMI分析均基于AC/DC三相整流，拓扑为维也纳整流。我分别给出了1Mhz和500Khz的共模噪声，可以看出，500khz共模滤波器需要的截止频率为19.2kHz，1MHz为31.2kHz。

这张图给出了不同频率下共模和差模滤波器转折频率的关系，可以看出，一些低频点EMI滤波器体现出了非常好的特性。例如70Khz，140Khz。而这两个开关频率是工业界常用的两个开关频率，非常讨巧，因为EMI噪声测试是150KHz到30MHz。不过这个也与拓扑有关。

以上数据均基于仿真，虽然不能精确的反应EMI噪声的大小，但是趋势肯定是正确的。说了这么多，我只想表明，开关频率的选取相当有学问。如果要以高功率密度为设计指标，开关频率并不是越高越好，而是有一个最佳转折点。
 
下面2张图给出了维也纳整流器和BUCK-type整流器的功率密度趋势，可以看出，最佳功率密度点不是一个开关频率。对那些拍着脑瓜选开关频率，解决EMI问题并且鄙视过我的老工程师，我还是怀有很大敬意的，但是我想说的是，如果真正想设计一台最高功率密度的变换器，详细的考证是值得的，还不是单纯依靠经验，况且经验背后也是一定有理论支持。

我不禁问个问题，都有EMI滤波器，EMI噪声都符合标准，为啥高频干扰大。难道大家在实际工程遇到高频干扰是个假象？不是的，举一个非常简单的例子，剩下的自己思考吧。        
 
在输入电压较高的场合中，一般开关管驱动的都需要隔离。我们知道隔离后一端的地一般要接到悬浮开关管的源端，一般这一点的电平是跳变的，以氮化镓晶体管为例，这点电压变化率可以达到140kV/us。而隔离芯片前一端的地是与控制地连接的，你随便看看隔离模块电源的手册，原副边耦合的寄生电容一般在60pF左右，也是就说在高速开关瞬间，会产生大约6A的电流从副边的地通过电容耦合到原边，原边的地电平肯定瞬间产生尖峰，整个控制系统产生强烈的干扰。所以做高频的时候，隔离电源的地线千万不要平行的铺在2层PCB中，干扰效果会更加强烈。
 
同时，选隔离芯片的时候也需要注意一个参数叫做CM transient immunity（肯定会给的），这个参数最好大于开关瞬间，桥臂中点电平的变化速率。光耦隔离这个参数一般在30kV/us，磁耦在35kV/us，电容耦合在50kV/us（是不是绝望了，都比氮化镓低，硅器件一般在10kV/us,Sic 30kV/us）。

还有很多细节可以引起干扰，不过真的不是EMI噪声做的孽。  
 
我先简单的把以上内容总结一下： 

电源适配器不是开关频率越高，功率密度就越高，目前这个阶段来说真正阻碍功率密度提高的是散热系统和电磁设计（包括EMI滤波器和变压器）和功率集成技术。
 
慎重选择开关频率，开关频率会极大的影响整个变化器的功率密度，而且针对不同器件，拓扑，最佳的开关频率是变化的。
 
高频确实产生很多很难解决的干扰问题，往往要找到干扰回路，然后采取一些措施。
 
为了继续维持电力电子变换器功率密度的增长趋势，高频肯定是趋势。只是针对高频设计的电力电子技术很不成熟，相关配套芯片没有达到要求，一些高频的电源适配器电磁设计理论不完善和精确，使用有限元软件分析将大大增加开发周期。