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电子产品:开关电源系统EMI传导快速设计理论

导读: 电子产品:开关电源系统的EMI-传导快速设计输入滤波器的设计细节;再书文给电子设计者;开关电源的输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的电快速脉冲群也是有帮助的。

我将电子产品:开关电源系统的EMI-传导快速设计输入滤波器的设计细节;再书文给电子设计者;开关电源的输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的电快速脉冲群也是有帮助的。

我再补充一下;研讨会演讲的下面的开关电源系统的EMS的图文:

就开关电源来说!如果撇开开关电源的输入滤波器不说,

1.开关电源线路本身对脉冲群干扰的抑制作用实在是很低的,究其原因,主要在于脉冲群干扰的本质是高频共模干扰。

2.开关电源线路中的滤波电容都是针对抑制低频差模干扰而设置的,其中的电解电容对于开关电源本身的纹波抑制作用尚且不足,更不要说针对谐波成分达到60MHz以上的脉冲群干扰有抑制作用了,

3.在用示波器观察开关电源输入端和输出端的脉冲群波形时,看不出有明显的干扰衰减作用。

这样看来,就抑制开关电源所受到的脉冲群干扰来说,采用开关电源的输入滤波器是一个重要措施。

EMS的问题注意要重点注意PCB设计的问题!(研讨会已进行了具体讲解)

1.开关电源线路中的高频变压器设计的好坏,对于脉冲群干扰有一定的抑制作用;

2.开关电源初级回路与次级电路之间的跨接电容,能为从初级回路进入次级回路的共模干扰返回初级回路提供通路,因此对于脉冲群干扰也有一定的抑制作用;

3.开关电源输出端共模滤波电路的设置,能对脉冲群干扰有一定抑制作用。

4.开关电源线路本身对脉冲群干扰没有什么抑制作用,但是如果开关电源的线路布局不佳,则更能加剧脉冲群干扰对开关电源的入侵。

特别是脉冲群干扰的本质是传导与辐射干扰的复合,即使由于输入滤波器的采用,抑制了其中的传导干扰的成分,但存在在传输线路周围的辐射干扰依然存在,依然可以透过开关电源的不良布局

(开关电源的初级或次级回路布局距离太长,就会形成了大环天线),

感应脉冲群干扰中的辐射成分,进而影响整个设备的抗干扰性能。

为什么要设计EMI低通滤波器来增加插入高频损耗?

关键点1:

共模干扰的产生:是开关电源(开关MOS,输出功率较大时MOS会增加散热器设计)与大地(测试系统的参考接地板)之间存在分布电容;开关MOS及输出整流二极管在电路中方波电压的高频分量通过分布电容传入到大地(参考接地板);这样就形成与电源线的回路。或者说;高频分量通过分布电容与电源线构成回路产生共模骚扰!

关键点2:

差模干扰的产生:主要是开关电源中开关管工作在开关状态;当开关管开通时流过电源线的电流线性上升;开关管关断时电流又突变为O;因此流过电源线的电流为高频的重复三角波脉动电流;其含有丰富的高频谐波分量;随着频率的升高该谐波分量的幅度会越来越小;因此差模骚扰是随频率的升高而降低的!

注意:随着频率的升高我们开关器件对地之间分布电容变得很关键!此时共模的干扰就变得越来越高,小的共模电流就会产生大的干扰!

这部分我可以通过EMI测试系统的CM/DM分离器就可以得到数据。

下图直观的显示共模和差模骚扰的回路路径;

如上图:开关电源产生的噪声包含共模噪声和差模噪声。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。注意:通常线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

如下结构图可以想象如果没有特定的EMI低通滤波器件我们是无法通过测试标准的!

杂散参数影响耦合通道的特性

进行上图的分析:在EMI传导骚扰频段<30MHz,多数开关电源骚扰的耦合通道我一般用电路网络路径图来分析的。但是,在开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高;因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。

注意:在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。还有,在开关管功率较大时,开关管一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

针对对上面的问题:我们的第一想法是要插入滤波器设计;所以开关电源传导的高效设计实际是我们插入滤波器的设计!

注意设计关键思路:在输入端加滤波器,滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡性,两种分量在传输中会互相转变,情况也变得复杂。

对于<75W开关电源EMI滤波器的测试推荐如下结构:

输入滤波器的电路设计原理图

测试输入滤波电路能达到10dB设计裕量(采用电阻负载测试)

我们通用的工业及住宅类产品的EMI标准如下:

传导骚扰的测试频率范围为0.15~30MHz,限值要求如下表:

在0.15~1MHz的频率范围内,骚扰主要以差模的形式存在,

在1~10MHz的频率范围内,骚扰的形式是差模和共模共存,

在10MHz以上,骚扰的形式主要以共膜为主。

进行机理分析:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流会逐渐上升,开关管关断时电流突变为零,因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低,共模则相反随着频率的升高器件体之间的分布电容变得越来越关键;小的共模电流都能产生大的电磁干扰。

滤波器的设计:通过上面的分析,了解产品的干扰特性和输入阻抗特性后,设计或者选择一个滤波器就变得简单了。如果使用一个现成的滤波器,可以调用过去积累的滤波器数据库,比对滤波器参数,找到一个合适的滤波器。如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器,可以借助专用的滤波器设计软件。

我自己设计的公式计算软件的机理:

1. 一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间所以EMI滤波器要在1-10MHZ的插入损耗要尽量好。

2. 滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好:注意小于开关频率;

3. 理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

举例说明:我将一只20mH的电感进行频率电感& 频率阻抗 分析;

频率电感曲线FREQUENCY—INDUCTANCE CURVE:

频率---阻抗曲线FREQUENCY—IMPEDANCE CURVE:

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加(直流阻抗变大)。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

将输入滤波器进行等效如下:

进行EMI的共模和差模等效如下:

计算谐振频率(滤波器的截止频率):

对于<75W开关电源EMI输入滤波器计算结果如下:

通过测试的滤波器的EMI数据与理论的EXCEL的原理计算参数数据是吻合的。因此就可以类推各种不同应用条件下的EMI滤波器的设计!

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