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电源工程师手册:开关电源EMI设计规则100条

2019-8-23 09:25:18  873 开关电源 EMI
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EMC(Electromagnetic Compatibility)是电磁兼容,它包括EMI(电磁骚扰)和EMS(电磁抗骚扰)。EMC定义为:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。下面就随模拟电子小编一起来了解一下相关内容吧。
   EMC的分类及标准
  EMC(Electromagnetic Compatibility)是电磁兼容,它包括EMI(电磁骚扰)和EMS(电磁抗骚扰)。EMC定义为:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。
  EMC = EMI + EMS EMI:電磁干擾 EMS:電磁相容性 (免疫力)
  EMI可分为传导Conduction及辐射Radiation两部分,
  Conduction规范一般可分为: FCC Part 15J Class B;CISPR 22(EN55022, EN61000-3-2, EN61000-3-3) Class B;
  国标IT类(GB9254,GB17625)和AV类(GB13837,GB17625)。
  FCC测试频率在450K-30MHz,CISPR 22测试频率在150K--30MHz,Conduction可以用频谱分析仪测试,Radiation则必须到专门的实验室测试。
  EMI为电磁干扰,EMI是EMC其中的一部分,EMI(Electronic Magnetic InteRFerence) 电磁干扰, EMI包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的,通常称作干扰的三要素。 EMI线性正比于电流,电流回路面积以及频率的平方即:EMI = K*I*S*F2。I是电流,S是回路面积,F是频率,K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。
  辐射干扰(30MHz—1GHz)是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何装置都能辐射电磁波的。
  传导干扰(150K--30MHz)是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。
  EMI是指产品的对外电磁干扰。一般情况下分为Class A & Class B 两个等级。 Class A为工业等级,Class B为民用等级。民用的要比工业的严格,因为工业用的允许辐射稍微大一点。同样产品在测试EMI中的辐射测试来讲,在30-230MHz下,B类要求产品的辐射限值不能超过40dBm 而A类要求不能超过50dBm(以三米法电波暗室测量为例)相对要宽松的多,一般来说CLASSA是指在EMI测试条件下,无需操作人员介入,设备能按预期持续正常工作,不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失。
  EMI是设备正常工作时测它的辐射和传导。在测试的时候,EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限,分别代表Class A和Class B,如果观察的波形超过B的线但是低于A的线,那么产品就是A类的。EMS是用测试设备对产品干扰,观察产品在干扰下能否正常工作,如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降,为A级。能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降,为B级。不能自动重启需人为重启为C级,挂掉为D级。国标有D级的规定,EN只有A,B,C。EMI在工作频率的奇数倍是最不好过的。
  EMS(Electmmagnetic Suseeptibilkr) 电磁敏感度一般俗称为“电磁免疫力”,是设备抗外界骚扰干扰之能力,EMI是设备对外的骚扰。
  EMS中的等级是指:Class A,测试完成后设备仍在正常工作;Class B,测试完成或测试中需要重启后可以正常工作;Class C,需要人为调整后可以正常重启并正常工作;Class D,设备已损坏,无论怎样调整也无法启动。严格程度EMI是B > A,EMS是A > B > C > D。
  EMI电路:
  X电容的作用:
  抑制差模杂讯,电容量越大,抑制低频杂讯效果越好。
  Y电容的作用:
  抑制共模杂讯,电容量越大,抑制低频杂讯效果越好。Y电容使次级到初级地线提供一个低阻抗回路,使流向地再通过LISN回来的电流直接短路掉,由于Y电容非完全理想,次级各部分间也存在阻抗,所以不可能全部回来。还是有一部分流到地。Y电容必须直接用尽量短的直线连接到初级和次级的冷地, 如果开通时MOS的dv/dt大于关断时的dv/dt, 则Y电容连接到初级的地; 反之连接到V+。
  共模电感的作用:
  抑制共模杂讯,电感量越大,抑制低频杂讯效果越好。增加共模电流部分的阻抗,减小共模电流。
  差模电感的作用:
  抑制差模杂讯,电感量越大,抑制低频杂讯效果越好。
  开关电源设计前的一般应对策略
  采用交流输入EMI滤波器
  通常干扰电流在导线上传输时有两种方式:共模方式和差模方式。共模干扰是载流体与大地之间的干扰:干扰大小和方向一致,存在于电源任何一相对大地、或中线 对大地间,主要是由du/dt产生的,di/dt也产生一定的共模干扰。而差模干扰是载流体之间的干扰:干扰大小相等、方向相反,存在于电源相线与中线及 相线与相线之间。干扰电流在导线上传输时既可以共模方式出现,也可以差模方式出现;但共模干扰电流只有变成差模干扰电流后,才能对有用信号构成干扰。
  交流电源输人线上存在以上两种干扰,通常为低频段差模干扰和高频段共模干扰。在一般情况下差模干扰幅度小、频率低、造成的干扰小;共模干扰幅度大、频率高, 还可以通过导线产生辐射,造成的干扰较大。若在交流电源输人端采用适当的EMI滤波器,则可有效地抑制电磁干扰。电源线EMI滤波器基本原理如图1所示, 其中差模电容C1、C2用来短路差模干扰电流,而中间连线接地电容C3、C4则用来短路共模干扰电流。共模扼流圈是由两股等粗并且按同方向绕制在一个磁芯 上的线圈组成。如果两个线圈之间的磁藕合非常紧密,那么漏感就会很小,在电源线频率范围内差模电抗将会变得很小;当负载电流流过共模扼流圈时,串联在相线上的线圈所产生的磁力线和串联在中线上线圈所产生的磁力线方向相反,它们在磁芯中相互抵消。 因此即使在大负载电流的情况下,磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流,两个线圈产生的磁场是同方向的,会呈现较大电感,从而起到衰减共模干扰信号的作用。 这里共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料。



  图1 电源线滤波器基本电路图
  利用吸收回路改善开关波形
  开关管或 二极管在开通和关断过程中,由于存在变压器漏感和线路电感,二极管存储电容和分布电容,容易在开关管集电极、发射极两端和二极管上产生尖峰电压。通常情况下采用RC/RCD吸收回路,RCD浪涌电压吸收回路如图2所示。


  图2 RCD浪涌电压吸收回路
  当吸收回路上的电压超过一定幅度时,各器件迅速导通,从而将浪涌能量泄放掉,同时将浪涌电压限制在一定的幅度。在开关管集电极和输出二极管的正极引线上串接 可饱和磁芯线圈或微晶磁珠,材质一般为钴(Co),当通过正常电流时磁芯饱和,电感量很小。一旦电流要反向流过时,它将产生很大的反电势,这样就能有效地 抑制二极管VD的反向浪涌电流。
  利用开关频率调制技术
  频率控制技术是基于开关干扰的能量主要集中在特定的频率上,并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量分散在较宽的频带上,则可以达到降低于扰频谱峰值的目的。通常有两种处理方法:随机频率法和调制频率法。
  随机频率法是在电路开关间隔中加人一个随机扰动分量,使开关干扰能量分散在一定范围的频带中。研究表明,开关干扰频谱由原来离散的尖峰脉冲干扰变成连续分布干扰,其峰值大大下降。
  调制频率法是在锯齿波中加人调制波(白噪声),在产生干扰的离散频段周围形成边频带,将干扰的离散频带调制展开成一个分布频带。这样,干扰能量就分散到这些分布频段上。在不影响变换器工作特性的情况下,这种控制方法可以很好地抑制开通、关断时的干扰。
  采用软开关技术
  开关电源的干扰之一是来自功率开关管通/断时的du/dt,因此,减小功率开关管通/断的du/dt是抑制开关电源干扰的一项重要措施。而软开关技术可以减小开关管通/断的du/dt。
  如果在开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件就构成辅助网络。在开关过程前后引人谐振过程,使开关开通前电压先降为零,这样就可以消除开通过程中电压、电流重叠的现象,降低、甚至消除开关损耗和干扰,这种电路称为软开关电路。
  根据上述原理可以采用两种方法,即在开关关断前使其电流为零,则开关关断时就不会产生损耗和干扰,这种关断方式称为零电流关断;或在开关开通前使其电压为 零,则开关开通时也不会产生损耗和干扰,这种开通方式称为零电压开通。在很多情况下,不再指出开通或关断,仅称零电流开关和零电压开关,基本电路如图3和 图4所示。


  图3 零电压开关谐振电路


  图4 零电流开关谐振电路
  通常采用软开关电路控制技术,结合合理的元器件布局及印制电路板布线、接地技术,对开关电源的EMI干扰具有一定的改善作用。
  采用电磁屏蔽措施
  一般采用电磁屏蔽措施都能有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。开关电源的屏蔽措施主要是针对开关管和高频变压器而言。开关管工作时产生大量的热量,需要给 它装散热片,从而使开关管的集电极与散热片间产生较大的分布电容。因此,在开关管的集电极与散热片间放置绝缘屏蔽金属层,并且散热片接机壳地,金属层接到 热端零电位,减小集电极与散热片间藕合电容,从而减小散热片产生的辐射干扰。针对高频变压器,首先应根据导磁体屏蔽性质来选择导磁体结构,如用罐型铁芯和 El型铁芯,则导磁体的屏蔽效果很好。变压器外加屏蔽时,屏蔽盒不应紧贴在变压器外面,应留有一定的气隙。如采用有气隙的多层屏蔽物时,所得的屏蔽效果会 更好。另外,在高频变压器中,常常需要消除初、次级线圈间的分布电容,可沿着线圈的全长,在线圈间垫上铜箔制成的开路带环,以减小它们之间的祸合,这个开 路带环既与变压器的铁芯连接,又与电源的地连接,起到静电屏蔽作用。如果条件允许,对整个开关电源加装屏蔽罩,那样就会更好地抑制辐射干扰。
  开关电源设计后EMI的实际整改策略--传导部分
  1MHZ 以内以差模干扰为主
  1、150KHZ-1MHz,以差模为主,1-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz 以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHZ以上的干扰是共模,低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上,用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰;
  2、保险过后加差模电感或电阻;
  3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。
  4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI,体积別选太大(DR8太大,能用电阻型式或DR6更好)否則幅射不好过,必要时可串磁珠,因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。
  5、传导冷机时在0.15-1MHZ超标,热机时就有7DB余量。主要原因是初级BULK电容DF值过大造成的,冷机时ESR比较大,热机时ESR比较小,开关电流在ESR上形成开关电压,它会压在一个电流LN线间流动,这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。
  6、测试150KHZ总超标的解决方案:加大X电容看一下能不能下来,如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰,或者把电源线在一个大磁环上绕几圈, 下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好,就减小Y电容,看一下布板是否有问题,或者就在前面加磁环。
  7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。
  8、PWM线路中的元件将主频调到60KHZ左右。
  9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。
  10、共模电感的两边感量不对称,有一边匝数少一匝也可引起传导150KHZ-3MHZ超标。
  11、一般传导的产生有两个主要的点:200K和20M左右,这几个点也体现了电路的性能;200K左右主要是漏感产生的尖刺;20M左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射,加屏蔽都没用,辐射过不了。
  12、将输入BUCK电容改为低内阻的电容。
  13、对于无Y-CAP电源,绕制变压器时先绕初级,再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边,后绕次级。
  14、将共模电感上并联一个几K到几十K电阻。
  15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。
  16、在PCB设计€€时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。
  17、保险套磁珠。
  18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471。
  19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡) 。
  20、对于π型滤波电路有一个BUCK电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150KHZ-2MHZ的L通道有干扰,改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地,或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来, 也可以用一个小电容代替。
  21、对于π型滤波电路有一个BUCK电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150KHZ-2MHZ的L通道有干扰,改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替, 将另外一个电容加大。
  22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。
  23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来,并且铜箔两端短接在一起,再用一根铜线连接到地。
  24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。
  25、将开关管用金属套起来连接到地。
  26、加大X2电容只能解决150K左右的频段,不能解决20M以上的频段,只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环,电感量约50uH-1mH。
  27、在输入端加大X电容。
  28、加大输入端共模电感。
  29、将辅助绕组供电二极管反接到地。
  30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。
  31、加大输入端滤波电容。
  32、150KHZ-300KHZ和20MHZ-30MHZ这两处传导都不过,可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题,该接地的地方一定要加强接牢,主板上的地线一定要理顺,不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。
  33、在整流桥上并电容,当考虑共模成分时,应该邻角并电容,当考虑差模成分时,应该对角并电容。
  34、加大输入端差模电感。
  1MHZ---5MHZ差模共模混合
  采用输入端并联一系列X电容来滤除差摸干扰并分析出是哪种干扰超标并以解决。
  1、对于差模干扰超标可调整X 电容量,添加差模电感器,调差模电感量。
  2、对于共模干扰超标可添加共模电感,选用合理的电感量来抑制;
  3、也可改变整流二极管特性来处理一对快速二极管如FR107 一对普通整流二极管1N4007。
  4、对于有Y电容的电源,干扰在1M以前以差模为主,2-5M是差模和共模干扰。对于NO-Y来说,情况不一样,1M以前的共模也非常厉害。在前面加很多X电容,滤光差模,改不改变压器对差模没有影响了,如果还有变化,就是共模了。差共模分离的方法:在AC输入端加很多X电容,从小到大,这样可以把差模滤去,剩下的就是共模了,再与总的噪音相比较,就能看出差模的大小。
  5、绕制变压器时将所有同名端放在一边,可降低1.0MHZ-5.0MHZ传导干扰。
  6、对于小功率用两个差模电感,减少差模电感匝数可降低传导1.2MHZ干扰。
  7、加大Y电容,可降低传导中段1MHZ-5MHZ干扰。
  8、对于无Y电容的开关电源EMI在1MHZ-6MHZ超标,如加了Y电容后EM降下来了的话,就可在变压器初次级间加多几层胶纸。
  9、将mos管散热片接MOS管S极。
  10、在输入端滤波电容上并联小容量高压瓷片或者高压贴片电容
  5M---20MHZ以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法。
  1、对于外壳接地的,在地线上用一个磁环串绕2-3 圈会对10MHZ 以上干扰有较大的衰减作用;
  2、可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔,铜箔要闭环。
  3、处理后端输出整流管的吸收电路和初级大电路并联电容的大小。
  4、在变压器初级绕组上用一根很细的三重绝缘线并绕一个屏蔽绕组,屏蔽绕组的一端接电源端另外一端通过一个电容接到地。
  5、可将共模电感改为一边匝数比另一边多一匝,另其有差模的作用。
  6、将开关管D极加一小散热片且必需接高压端的负极,变压器的初级起始端连接到MOS管D极。
  7、将次级的散热片用一个102的Y电容接到初级的L/N线, 可降低传导干扰。
  8、如果加大Y电容传导干扰下来了,则可以改变变压器绕法来改良,可在初次级间加多几层胶带;如果加大Y电容传导干扰未改善,就要改电路可改好不必改变压器绕法。
  9、将变压器电感量适当加大,可降低RCC开关电源在半载时的传导干扰。
  10、用变压器次级辅助绕组来屏蔽初级主绕组,比用变压器初级辅助绕组来屏蔽初级主绕组,传导整体要好得多。
  11、传导整体超标,用示波器看开关管G和D极波形都有重叠的现象,将光藕供电电阻从输出滤波共模电感下穿过接输出正极改接不从大电流下穿过后一切OK。
  12、在输入端L线和N线各接一681/250V的Y电容,Y电容另外一端接次级地。
  13、将次级的辅助绕组用来屏蔽初级主绕组,可降低传导3-15MHZ干扰。用次级的辅助绕组来屏蔽初级主绕组,比用初级的辅助绕组来屏蔽初级主绕组传导要好得多。
  14、在PCB板底层放一层铜片接初级大电容负极。
  15、将整个电源用一块铜片包起来, 铜片接初级大电容负极。
  16、减小Y电容容量。
  对于20--30MHZ
  1、对于一类产品可以采用调整对地Y2电容量或改变Y2电容位置;
  2、调整一二次侧间的Y1 电容位置及参数值;
  3、在变压器外面包铜箔,变压器最里层加屏蔽层,调整变压器的各绕组的排布。
  4、改变PCB LAYOUT;
  5、输出线前面接一个双线并绕的小共模电感;
  6、在输出整流管两端并联RC滤波器且调整合理的参数;
  7、在变压器与MOSFET之间加磁珠;
  8、在变压器的输入电压脚加一个小电容。
  9、可以用增大MOS 驱动电阻。
  10、可能是电子负载引起的,可改用电阻负载。
  11、可将MOS管D 端对地接一个101的电容。
  12、可将输出整流二极管换一个积电容小一点的。
  13、可将输出整流二极管的RC回路去掉。
  14、将输入端加两个Y电容对地,可降低传导25MHZ-30MHZ干扰。
  15、紧贴变压器的磁芯上加一铜皮,铜皮连接到地。
  16、传导后段25MHZ超标可在输出端加共模电感,也可在开关管源极检测电阻上套一长的导磁力合适的磁珠。
  开关电源设计后EMI的实际整改策略--辐射部分
  30---50MHZ 普遍是MOS 管高速开通关断引起
  1.可以用增大MOS 驱动电阻;
  2.RCD 缓冲电路采用1N4007 慢管;
  3.VCC 供电电压用1N4007 慢管来解决;
  4.或者输出线前端串接一个双线并绕的小共模电感;
  5.在MOSFET 的D-S 脚并联一个小吸收电路;
  6.在变压器与MOSFET 之间加BEAD CORE;
  7.在变压器的输入电压脚加一个小电容;
  8.PCB 心LAYOUT 时大电解电容,变压器,MOS 构成的电路环尽可能的小;
  9.变压器,输出二极管,输出平波电解电容构成的电路环尽可能的小。
  50---100MHZ 普遍是输出整流管反向恢复电流引起
  1.可以在整流管上串磁珠;
  2.调整输出整流管的吸收电路参数;
  3.可改变一二次侧跨接Y电容支路的阻抗,如PIN脚处加BEAD CORE或串接适当的电阻;
  4.也可改变MOSFET,输出整流二极管的本体向空间的辐射(如铁夹卡MOSFET; 铁夹卡DIODE,改变散热器的接地点)。
  5.增加屏蔽铜箔抑制向空间辐射.
  200MHZ 以上开关电源已基本辐射量很小,一般可过EMI 标准。
  开关电源EMI的对策处理小结
  1、外部构造的屏蔽处理;
  2、产品外部的电缆线处理;
  3、产品内部的电缆线处理;
  4、PCB布线处理;
  5、开关电源的振荡频率的选择;
  6、IC型号的选择;
  7、磁性材料的频率和带宽的选择;
  8、变压器的选型、绕法和设计;
  9、散热器的接地方式的处理。

相关经验

Nancyfans 2019-8-30 14:02:10
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