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关于开关电源EMI设计及与整改策略实用分享

2017-10-16

EMC的分类及规范
EMC(Electromagnetic Compatibility)是电磁兼容,它包含EMI(电磁打扰)和EMS(电磁抗打扰)。EMC界说为:设备或系统在其电磁环境中能正常作业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打扰的才能。EMC整的称号为电磁兼容。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测验频率在450K-30MHz,CISPR 22测验频率在150K--30MHz,Conduction能够用频谱分析仪测验,Radiation则有必要到专门的实验室测验。
EMI为电磁搅扰,EMI是EMC其间的一部分,EMI(Electronic Magnetic Interference) 电磁搅扰, EMI包含传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁搅扰是由搅扰源、藕合通道和接收器三部分构成的,一般称作搅扰的三要素。 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是与电路板资料和其他要素有关的一个常数。
辐射搅扰(30MHz—1GHz)是经过空间并以电磁波的特性和规则传达的。但不是任何设备都能辐射电磁波的。
传导搅扰(150K--30MHz)是沿着导体传达的搅扰。所以传导搅扰的传达要求在搅扰源和接收器之间有一完好的电路衔接。
EMI是指产品的对外电磁搅扰。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,由于工业用的答应辐射略微大一点。相同产品在测验EMI中的辐射测验来讲,在30-230MHz下,B类要求产品的辐射限值不能超越40dBm 而A类要求不能超越50dBm(以三米法电波暗室丈量为例)相对要宽松的多,一般来说CLASSA是指在EMI测验条件下,无需操作人员介入,设备能按预期持续正常作业,不答应呈现低于规则的功用等级的功用下降或功用丢失。
EMI是设备正常作业时测它的辐射和传导。在测验的时分,EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限,别离代表Class A和Class B,如果调查的波形超越B的线可是低于A的线,那么产品就是A类的。EMS是用测验设备对产品搅扰,调查产品在搅扰下能否正常作业,如果正常作业或不呈现超越规范规则的功用下降,为A级。能主动重启且重启后不呈现超越规范规则的功用下降,为B级。不能主动重启需人为重启为C级,挂掉为D级。国标有D级的规则,EN只要A,B,C。EMI在作业频率的奇数倍是最欠好过的。
EMS(Electmmagnetic Suseeptibilkr) 电磁敏感度一般俗称为“电磁免疫力”,是设备抗外界打扰搅扰之才能,EMI是设备对外的打扰。
EMS中的等级是指:Class A,测验完结后设备仍在正常作业;Class B,测验完结或测验中需求重启后能够正常作业;Class C,需求人为调整后能够正常重启并正常作业;Class D,设备已损坏,无论怎样调整也无法发动。严格程度EMI是B > A,EMS是A > B > C > D。
EMI电路:
X电容的效果:
按捺差模杂讯,电容量越大,按捺低频杂讯效果越好。
Y电容的效果:
按捺共模杂讯,电容量越大,按捺低频杂讯效果越好。Y电容使次级到初级地线提供一个低阻抗回路,使流向地再经过LISN回来的电流直接短路掉,由于Y电容非彻底抱负,次级各部分间也存在阻抗,所以不可能悉数回来。仍是有一部分流到地。Y电容有必要直接用尽量短的直线衔接到初级和次级的冷地, 如果注册时MOS的dv/dt大于关断时的dv/dt, 则Y电容衔接到初级的地; 反之衔接到V+。
共模电感的效果:
按捺共模杂讯,电感量越大,按捺低频杂讯效果越好。增加共模电流部分的阻抗,减小共模电流。
差模电感的效果:
按捺差模杂讯,电感量越大,按捺低频杂讯效果越好。
开关电源规划前的一般应对战略
选用沟通输入EMI滤波器
一般搅扰电流在导线上传输时有两种办法:共模办法和差模办法。共模搅扰是载流体与大地之间的搅扰:搅扰巨细和方向一致,存在于电源任何一相对大地、或中线 对大地间,首要是由du/dt发生的,di/dt也发生必定的共模搅扰。而差模搅扰是载流体之间的搅扰:搅扰巨细相等、方向相反,存在于电源相线与中线及 相线与相线之间。搅扰电流在导线上传输时既能够共模办法呈现,也能够差模办法呈现;但共模搅扰电流只要变成差模搅扰电流后,才能对有用信号构成搅扰。
沟通电源输人线上存在以上两种搅扰,一般为低频段差模搅扰和高频段共模搅扰。在一般情况下差模搅扰起伏小、频率低、构成的搅扰小;共模搅扰起伏大、频率高, 还能够经过导线发生辐射,构成的搅扰较大。若在沟通电源输人端选用恰当的EMI滤波器,则可有效地按捺电磁搅扰。电源线EMI滤波器根本原理如图1所示, 其间差模电容C1、C2用来短路差模搅扰电流,而中间连线接地电容C3、C4则用来短路共模搅扰电流。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十分紧密,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发生的磁力线和串联在中线上线圈所发生的磁力线方向相反,它们在磁芯中相互抵消。 因而即便在大负载电流的情况下,磁芯也不会饱满。而关于共模搅扰电流,两个线圈发生的磁场是同方向的,会呈现较大电感,然后起到衰减共模搅扰信号的效果。 这儿共模扼流圈要选用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性资料。

图1 电源线滤波器根本电路图
使用吸收回路改进开关波形
开关管或 二极管在注册和关断进程中,由于存在变压器漏感和线路电感,二极管存储电容和散布电容,简单在开关管集电极、发射极两头和二极管上发生尖峰电压。一般情况下选用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越必定起伏时,各器材敏捷导通,然后将浪涌能量泄放掉,同时将浪涌电压限制在必定的起伏。在开关管集电极和输出二极管的正极引线上串接 可饱满磁芯线圈或微晶磁珠,原料一般为钴(Co),当经过正常电流时磁芯饱满,电感量很小。一旦电流要反向流过期,它将发生很大的反电势,这样就能有效地 按捺二极管VD的反向浪涌电流。
使用开关频率调制技能
频率操控技能是依据开关搅扰的能量首要会集在特定的频率上,并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量涣散在较宽的频带上,则能够到达下降于扰频谱峰值的意图。一般有两种处理办法:随机频率法和调制频率法。
随机频率法是在电路开关距离中加人一个随机扰动重量,使开关搅扰能量涣散在必定范围的频带中。研讨标明,开关搅扰频谱由本来离散的尖峰脉冲搅扰变成接连散布搅扰,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),在发生搅扰的离散频段周围构成边频带,将搅扰的离散频带调制展开成一个散布频带。这样,搅扰能量就涣散到这些散布频段上。在不影响变换器作业特性的情况下,这种操控办法能够很好地按捺注册、关断时的搅扰。
选用软开关技能
开关电源的搅扰之一是来自功率开关管通/断时的du/dt,因而,减小功率开关管通/断的du/dt是按捺开关电源搅扰的一项重要办法。而软开关技能能够减小开关管通/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佐网络。在开关进程前后引人谐振进程,使开关注册前电压先降为零,这样就能够消除开经进程中电压、电流堆叠的现象,下降、乃至消除开关损耗和搅扰,这种电路称为软开关电路。
依据上述原理能够选用两种办法,即在开关关断前使其电流为零,则开关关断时就不会发生损耗和搅扰,这种关断办法称为零电流关断;或在开关注册前使其电压为 零,则开关注册时也不会发生损耗和搅扰,这种注册办法称为零电压注册。在许多情况下,不再指出注册或关断,仅称零电流开关和零电压开关,根本电路如图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
一般选用软开关电路操控技能,结合合理的元器材布局及印制电路板布线、接地技能,对开关电源的EMI搅扰具有必定的改进效果。
选用电磁屏蔽办法
一般选用电磁屏蔽办法都能有效地按捺开关电源的电磁辐射搅扰。开关电源的屏蔽办法首要是针对开关管和高频变压器而言。开关管作业时发生很多的热量,需求给 它装散热片,然后使开关管的集电极与散热片间发生较大的散布电容。因而,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,然后减小散热片发生的辐射搅扰。针对高频变压器,首先应依据导磁体屏蔽性质来挑选导磁体结构,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,应留有必定的气隙。如选用有气隙的多层屏蔽物时,所得的屏蔽效果会 更好。别的,在高频变压器中,常常需求消除初、次级线圈间的散布电容,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衔接,又与电源的地衔接,起到静电屏蔽效果。如果条件答应,对整个开关电源加装屏蔽罩,那样就会更好地按捺辐射搅扰。

开关电源规划后EMI的实践整改战略--传导部分
1MHZ 以内以差模搅扰为主
1、150KHZ-1MHz,以差模为主,1-5MHz,差模和共模一同起效果,5MHz 今后根本上是共模。差模搅扰的分容性藕合和理性藕合。一般1MHZ以上的搅扰是共模,低频段是差摸搅扰。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能够估测共模搅扰;
2、稳妥往后加差模电感或电阻;
3、小功率电源可选用PI型滤波器处理(主张接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)否則幅射欠好过,必要时可串磁珠,由于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超支,热机时就有7DB余量。首要原因是初级BULK电容DF值过大构成的,冷机时ESR比较大,热机时ESR比较小,开关电流在ESR上构成开关电压,它会压在一个电流LN线间活动,这就是差模搅扰。处理办法是用ESR低的电解电容或许在两个电解电容之间加一个差模电感。
6、测验150KHZ总超支的处理方案:加大X电容看一下能不能下来,如果下来了阐明是差模搅扰。如果没有太大效果那么是共模搅扰,或许把电源线在一个大磁环上绕几圈, 下来了阐明是共模搅扰。如果搅扰曲线后边很好,就减小Y电容,看一下布板是否有问题,或许就在前面加磁环。
7、能够加大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超支。
11、一般传导的发生有两个首要的点:200K和20M左右,这几个点也表现了电路的功用;200K左右首要是漏感发生的尖刺;20M左右首要是电路开关的噪声。处理欠好变压器会增加很多的辐射,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、关于无Y-CAP电源,绕制变压器时先绕初级,再绕辅佐绕组并将辅佐绕组密绕靠一边,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规划时应将共模电感和变压器离隔一点避免相互搅扰。
17、稳妥套磁珠。
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、关于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震动) 。
20、关于π型滤波电路有一个BUCK电容躺倒放在PCB上且接近变压器此电容对传导150KHZ-2MHZ的L通道有搅扰,改进办法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地,或许用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB离隔。或许将此电容立起来, 也能够用一个小电容替代。
21、关于π型滤波电路有一个BUCK电容躺倒放在PCB上且接近变压器此电容对传导150KHZ-2MHZ的L通道有搅扰,改进办法是将此电容用一个1uF/400V或许说0.1uF/400V电容替代, 将别的一个电容加大。
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,并且铜箔两头短接在一同,再用一根铜线衔接到地。
24、将共模电感用一块铜皮包起来再衔接到地。
25、将开关管用金属套起来衔接到地。
26、加大X2电容只能处理150K左右的频段,不能处理20M以上的频段,只要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、将辅佐绕组供电二极管反接到地。
30、将辅佐绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或许加大容量。
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。也能够看看接地是否有问题,该接地的当地必定要加强接牢,主板上的地线必定要理顺,不同的地线之间走线必定要顺利不要相互交织的。
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
选用输入端并联一系列X电容来滤除差摸搅扰并分析出是哪种搅扰超支并以处理。
1、关于差模搅扰超支可调整X 电容量,增加差模电感器,调差模电感量。
2、关于共模搅扰超支可增加共模电感,选用合理的电感量来按捺;
3、也可改动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、关于有Y电容的电源,搅扰在1M以前以差模为主,2-5M是差模和共模搅扰。关于NO-Y来说,情况不一样,1M以前的共模也十分凶猛。在前面加许多X电容,滤光差模,改不改动压器对差模没有影响了,如果还有改动,就是共模了。差共模别离的办法:在AC输入端加许多X电容,从小到大,这样能够把差模滤去,剩余的就是共模了,再与总的噪音相比较,就能看出差模的巨细。
5、绕制变压器时将一切同名端放在一边,可下降1.0MHZ-5.0MHZ传导搅扰。
6、关于小功率用两个差模电感,削减差模电感匝数可下降传导1.2MHZ搅扰。
7、加大Y电容,可下降传导中段1MHZ-5MHZ搅扰。
8、关于无Y电容的开关电源EMI在1MHZ-6MHZ超支,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许高压贴片电容。

5M---20MHZ以共摸搅扰为主,选用按捺共摸的办法。
1、关于外壳接地的,在地线上用一个磁环串绕2-3 圈会对10MHZ 以上搅扰有较大的衰减效果;
2、可挑选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巨细。
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别的一端经过一个电容接到地。
5、可将共模电感改为一边匝数比另一边多一匝,另其有差模的效果。
6、将开关管D极加一小散热片且必需接高压端的负极,变压器的初级开始端衔接到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, 可下降传导搅扰。
8、如果加大Y电容传导搅扰下来了,则能够改动变压器绕法来改进,可在初次级间加多几层胶带;如果加大Y电容传导搅扰未改进,就要改电路可改好不用改动压器绕法。
9、将变压器电感量恰当加大,可下降RCC开关电源在半载时的传导搅扰。
10、用变压器次级辅佐绕组来屏蔽初级主绕组,比用变压器初级辅佐绕组来屏蔽初级主绕组,传导全体要好得多。
11、传导全体超支,用示波器看开关管G和D极波形都有堆叠的现象,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往后一切OK。
12、在输入端L线和N线各接一681/250V的Y电容,Y电容别的一端接次级地。
13、将次级的辅佐绕组用来屏蔽初级主绕组,可下降传导3-15MHZ搅扰。用次级的辅佐绕组来屏蔽初级主绕组,比用初级的辅佐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。
关于20--30MHZ
1、关于一类产品能够选用调整对地Y2电容量或改动Y2电容方位;
2、调整一二次侧间的Y1 电容方位及参数值;
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、改动PCB LAYOUT;
5、输出线前面接一个双线并绕的小共模电感;
6、在输出整流管两头并联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、能够用增大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,可下降传导25MHZ-30MHZ搅扰。
15、紧贴变压器的磁芯上加一铜皮,铜皮衔接到地。
16、传导后段25MHZ超支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。
开关电源规划后EMI的实践整改战略--辐射部分
30---50MHZ 遍及是MOS 管高速注册关断引起
1.能够用增大MOS 驱动电阻;
2.RCD 缓冲电路选用1N4007 慢管;
3.VCC 供电电压用1N4007 慢管来处理;
4.或许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 遍及是输出整流管反向恢复电流引起
1.能够在整流管上串磁珠;
2.调整输出整流管的吸收电路参数;
3.可改动一二次侧跨接Y电容支路的阻抗,如PIN脚处加BEAD CORE或串接恰当的电阻;
4.也可改动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,改动散热器的接地址)。
5.增加屏蔽铜箔按捺向空间辐射.
200MHZ 以上开关电源已根本辐射量很小,一般可过EMI 规范。
开关电源EMI的对策处理小结
1、外部结构的屏蔽处理;
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、开关电源的振动频率的挑选;
6、IC类型的挑选;
7、磁性资料的频率和带宽的挑选;
8、变压器的选型、绕法和规划;
9、散热器的接地办法的处理。
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