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分析:开关电源EMC和滤波器电磁兼容整改问题对策(一)

日期:2022-01-18 09:13
浏览次数:39
摘要: 在现当今一切的电子产品当中,都离不开电源。但是,由于开关电源效率高、体积小的压倒性优势,在这一切的产品的电源有近百分之90以上都是采用开关电源停止电压适配,当然另外也有一些LDO。这样的话效率、体积或者是功用是到达了开发人的请求,但是在过认证(EN55022、FCC part 15、GB9254)的时候就会发现EMC会带来很多的困扰,例如,空间辐射测试不过,传导辐射测试不过、雷击浪涌、脉冲群……常常会由于这些问题的存在招致认证过程的延误,致产品延缓上市却不能抢占市场。鉴于此,特搜集整理了一些关于开关电源EMI整改问题...

          在现当今一切的电子产品当中,都离不开电源。但是,由于开关电源效率高、体积小的压倒性优势,在这一切的产品的电源有近百分之90以上都是采用开关电源停止电压适配,当然另外也有一些LDO。这样的话效率、体积或者是功用是到达了开发人的请求,但是在过认证(EN55022、FCC part 15、GB9254)的时候就会发现EMC会带来很多的困扰,例如,空间辐射测试不过,传导辐射测试不过、雷击浪涌、脉冲群……常常会由于这些问题的存在招致认证过程的延误,致产品延缓上市却不能抢占市场。鉴于此,特搜集整理了一些关于开关电源EMI整改问题对策,供各位参考学习。如有任何问题或者疑问,大家都能够来信一同讨论。




开关电源电磁干扰的产生机理及其传播途径







Flyback架构noise在频谱上的反应:

0.15MHz处产生的振荡是开关频率的3次谐波引起的干扰;0.2MHz处产生的振荡是开关频率的4次谐波和Mosfet振荡2(190.5KHz)基波的迭加,引起的干扰;所以这部分较强;0.25MHz处产生的振荡是开关频率的5次谐波引起的干扰;0.35MHz处产生的振荡是开关频率的7次谐波引起的干扰;0.39MHz处产生的振荡是开关频率的8次谐波和Mosfet振荡2(190.5KHz)基波的迭加引起的干扰;1.31MHz处产生的振荡是Diode振荡1(1.31MHz)的基波引起的干扰;3.3MHz处产生的振荡是Mosfet振荡1(3.3MHz)的基波引起的干扰;开关管、整流二极管的振荡会产生较强的干扰


设计开关电源时防止EMI的措施:

1.把噪音电路节点的PCB铜箔面积*大限度地减小,如开关管的漏极、集电极、初次级绕组的节点等;

2.使输入和输出端远离噪音元件,如变压器线包、变压器磁芯、开关管的散热片等等;

3.使噪音元件(如未遮蔽的变压器线包、未遮蔽的变压器磁芯和开关管等等)远离外壳边缘,因为在正常操作下外壳边缘很可能靠近外面的接地线;

4.如果变压器没有使用电场屏蔽,要保持屏蔽体和散热片远离变压器;

5.尽量减小以下电流环的面积:次级(输出)整流器、初级开关功率器件、栅极(基极)驱动线路、辅助整流器

6.不要将门极(基极)的驱动返馈环路和初级开关电路或辅助整流电路混在一起;

7.调整优化阻尼电阻值,使它在开关的死区时间里不产生振铃响声;

8.防止EMI滤波电感饱和;

9.使拐弯节点和次级电路的元件远离初级电路的屏蔽体或者开关管的散热片;

10.保持初级电路的摆动的节点和元件本体远离屏蔽或者散热片;

11.使高频输入的EMI滤波器靠近输入电缆或者连接器端;

12.保持高频输出的EMI滤波器靠近输出电线端子;

13.使EMI滤波器对面的PCB板的铜箔和元件本体之间保持一定距离;

14.在辅助线圈的整流器的线路上放一些电阻;

15.在磁棒线圈上并联阻尼电阻;

16.在输出RF滤波器两端并联阻尼电阻;

17.在PCB设计时允许放1nF/500V陶瓷电容器或者还可以是一串电阻,跨接在变压器的初级的静端和辅助绕组之间;

18.保持EMI滤波器远离功率变压器,尤其是避免定位在绕包的端部;

19.在PCB面积足够的情况下,可在PCB上留下放屏蔽绕组用的脚位和放RC阻尼器的位置,RC阻尼器可跨接在屏蔽绕组两端;

20.空间允许的话在开关功率场效应管的漏极和门极之间放一个小径向引线电容器(米勒电容,10皮法/1千伏电容);

21.空间允许的话放一个小的RC阻尼器在直流输出端;

22.不要把AC插座与初级开关管的散热片靠在一起。


开关电源EMI的特点:

作为工作于开关状态的能量转换装置,开关电源的电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器,相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高(从几十千赫和数兆赫兹),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。


1MHZ以内----以差模干扰为主,增大X电容就可解决;


1MHZ---5MHZ---差模共模混合,采用输入端并一系列X电容来滤除差摸干扰并分析出是哪种干扰超标并解决;


5M以上---以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法。对于外壳接地的,在地线上用一个磁环绕2圈会对10MHZ以上干扰有较大的衰减(diudiu2006);


对于25--30MHZ不过可以采用加大对地Y电容、在变压器外面包铜皮、改变PCBLAYOUT、输出线前面接一个双线并绕的小磁环,*少绕10圈、在输出整流管两端并RC滤波器;


30---50MHZ---普遍是MOS管高速开通关断引起,可以用增大MOS驱动电阻,RCD缓冲电路采用1N4007慢管,VCC供电电压用1N4007慢管来解决;


100---200MHZ---普遍是输出整流管反向恢复电流引起,可以在整流管上串磁珠;100MHz-200MHz之间大部分出于PFCMOSFET及PFC二极管,现在MOSFET及PFC二极管串磁珠有效果,水平方向基本可以解决问题,但垂直方向就很无奈了。开关电源的辐射一般只会影响到100M以下的频段,也可以在MOS、二极管上加相应吸收回路,但效率会有所降低。


1MHZ以内----以差模干扰为主

1.增大X电容量;2.添加差模电感;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)。

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。

5M以上---以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法

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;也可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔,铜箔闭环。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。

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*里层加屏蔽层,调整变压器的各绕组的排布;4.改变PCBLAYOUT;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BEADCORE;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。

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BEADCORE;

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BEADCORE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。


传导方面EMI对策:

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.........


EMC硬件设计规范与滤波器使用注意事项


硬件EMC规范讲解:

电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。EMC就围绕这些问题进行研究。*基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波、接地。它们主要用来切断干扰的传输途径。广义的电磁兼容控制技术包括抑制干扰源的发射和提高干扰接收器的敏感度,但已延伸到其他学科领域。

本规范重点在单板的EMC设计上,附带一些必须的EMC知识及法则。在印制电路板设计阶段对电磁兼容考虑将减少电路在样机中发生电磁干扰。问题的种类包括公共阻抗耦合、串扰、高频载流导线产生的辐射和通过由互连布线和印制线形成的回路拾取噪声等。

在高速逻辑电路里,这类问题特别脆弱,原因很多:

1、电源与地线的阻抗随频率增加而增加,公共阻抗耦合的发生比较频繁;

2、信号频率较高,通过寄生电容耦合到步线较有效,串扰发生更容易;

3、信号回路尺寸与时钟频率及其谐波的波长相比拟,辐射更加显著。

4、引起信号线路反射的阻抗不匹配问题。

一、高频开关电源的电路结构

高频开关电源的主拓扑电路原理,如图1所示。


二、高频开关电源电磁骚扰源的分析

在图1a电路中的整流器、功率管Q1,在图1b电路中的功率管Q2~Q5、高频变压器T1、输出整流二极管D1~D2都是高频开关电源工作时产生电磁骚扰的主要骚扰源,具体分析如下。

(1)整流器整流过程产生的高次谐波会沿着电源线产生传导骚扰和辐射骚扰。

(2)开关功率管工作在高频导通和截止的状态,为了降低开关损耗,提高电源功率密度和整体效率,开关管的打开和关断的速度越来越快,一般在几微秒,开关管以这样的速度打开和关断,形成了浪涌电压和浪涌电流,会产生高频高压的尖峰谐波,对空间和交流输入线形成电磁骚扰。

(3)高频变压器T1进行功率变换的同时,产生了交变的电磁场,向空间辐射电磁波,形成了辐射骚扰。变压器的分布电感和电容产生振荡,并通过变压器初次级之间的分布电容耦合到交流输入回路,形成传导骚扰。

(4)在输出电压比较低的情况下,输出整流二极管工作在高频开关状态,也是一种电磁骚扰源。

由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压和电流变化率下,二极管反向恢复的时间越长,则尖峰电流的影响也越大,骚扰信号就越强,由此产生高频衰减振荡,这是一种差模传导骚扰。

所有产生的这些电磁信号,通过电源线、信号线、接地线等金属导线传输到外部电源形成传导骚扰。通过导线和器件辐射或通过充当天线的互连线辐射的骚扰信号造成辐射骚扰。



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