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电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

导读: 开关电源与线性稳压电源相比,具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点,己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。

开关电源与线性稳压电源相比,具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点,己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。

但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰(EMI)。EMI信号既具有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射后会影响电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。

如果处理不当,开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前,电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视,抑制开关电源的EMI,提高电子产品的质量,使之符合EMC标准,已成为电子产品设计者越来越关注的问题。

外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的波动、雷电浪涌、外界电磁辐射等等;如下图:

电子产品:开关电源系统的EMS的分析

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

1、电源噪声?

2、电源复位?

3、电源输出?

4、电源损坏?

瞬态干扰(EMS)对设备会产生威胁,出现产品功能及性能的问题。

EMS的问题我们通过开关电源系统的PCB来分析:

A.开关电源系统有接地设计

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

系统的EMS-共模浪涌测试是我们系统故障和IC不良的主要原因;在实际生活中,我们的电子产品通过AC供电时,也是共模雷电导致产品的故障。

一次侧的部分:

Ground路径顺序:大电容的Ground →Currentsensor→一次侧变压器辅助绕组Vcc电容的Ground→PWM IC 外围组件的Ground →PWMIC 的Ground→光耦的地。

一次侧和二次侧的Y电容路径:

大电容的Ground →Y-Cap→变压器次级的Ground。

二次侧的部分:

二次侧Y2的出脚→二次侧变压器的Ground→二次侧输出电容的Ground→输出接地则回到PE端→ TL431的地。

从上面的设计可以看出我们的系统其重要的控制信号和关键的IC是被保护起来。

好的PCB设计思路提高了产品的可靠性设计。

B.开关电源系统无接地设计

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

在PCB布线比较差的电路图中:

电流流过变压器的耦合电容(初级和次级耦合电容)和Y电容,电流流过C脚的电容地和IC的地之间的连线,连线上有杂散电感,造成电压下降,将显示在C脚电压上(共模阻抗耦合)这就导致了IC的保护动作,电源输出异常。

电子产品:开关电源系统的产品EMC的三大思考问题,了解了&找得到就能解决EMC。

1.信号(源)?

2.结构设计 ?

3.地的连接 ?

电子产品:开关电源系统的EMI-传导的测试系统等效分析

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

传导干扰共模与差模信号的电流路径分析。

开关电源通常是将工频交流电整流为直流电, 然后经过开关管的控制使其变为高频, 再经过整流滤波电路输出, 得到稳定的直流电压。工频整流滤波使用大容量电容充、放电, 开关管高频通断, 输出整流二极管的反向恢复等工作过程中产生了极高的di/dt和du/dt ,形成了强烈的浪涌电流和尖峰电压, 它是开关电源电磁干扰产生的最基本原因。

另外,开关管的驱动波形, MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形状的周期波。因此, 其频率是MHz级别的, 这些高频信号对开关电源的基本信号, 特别是控制电路的信号造成干扰。

简单的说:开关电源系统当MOS管开通时,L,N回路中变压器电感的电流线性上升;MOS关断时 L,N回路电流迅速关断;此时回路的电流波形为三角波;高频的三角波电流的谐波分量形成系统的差模干扰。

杂散参数影响耦合通道的特性

在传导骚扰频段(<30MHz),多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。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。

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。另外,在开关管功率较大时,集电极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和电源线传导的共模骚扰。

简单的说:在高频段>1MHZ时,开关电源系统对地就存在分布电容;系统的关键信号,关键走线对地都存在分布电容;分布电容形成对地回到L,N的共模干扰信号。同时分布电容的环路形成对空间的辐射干扰。

辐射干扰共模与差模信号的磁场分布。

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

1.差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积之内,

而回路面积之外的磁力线会相互抵消;

2.共模电流的磁场,在回路面积之外,

共模电流产生的磁场方向相同,磁场强度反而加强。

注意:

关于辐射的一个重要基本概念是:电流导致辐射,而非电压。

辐射干扰共模与差模信号的场强特性。

1.较小的共模电流能够产生强度很高的辐射;

2.很多因素都能导致共模电流;

比如:

A.电网串入共模干扰电压-(我们EMS的部分模拟测试)

B.辐射干扰(如雷电,设备电弧,附近电台,大功率辐射源)在信号线上感应出共模干扰。

C.接地电压不一样。也就是说地电位差异引入共模干扰。

D.也包括设备内部电线对电源线的影响。

数据结果-40dB 测试数据分析:

Data1:  一个20mA的差模电流,

在30MHZ时,将在3m远的地方产生一个强度为100uV/m的辐射电场。

Data2:  一个8uA的共模电流,

在30MHZ时,将在3m远的地方产生一个强度为100uV/m的辐射电场。

很小的共模电流 和 很大的差分电流产生大小相等的RF能量。

原因:共模电流不能在RF返回路径中进行磁力线的抵消。

电子产品:开关电源系统EMI-辐射骚扰系统分布参数影响的电磁场环路分析

电子产品:开关电源系统EMC的问题及思考?

开关电源系统对地就存在分布电容;系统的关键信号,关键走线对地都存在分布电容;共模电流通过布局布线流经系统的信号线及电缆的分布电容形成对地 回到L,N的共模干扰信号。同时分布电容的环路形成对空间的辐射干扰。

其中>30MHZ以上 为辐射发射的天线接收;即共模辐射在空间产生电磁场,此时被辐射骚扰测试接收天线接收后,那么就形成了产品对外的辐射骚扰。

对电子产品的EMC的三大思考问题?

A.信号(源) 在哪里?

(外部干扰源EMS +内部骚扰源EMI)

B.结构设计 是这样的吗?

(产品外部接地 系统内部有接地端子或者浮地设计等等)

C.地的连接 还有更好的方法吗?

(直接接地或通过Y电容接地 内部有参考接地背板 浮地设计等等)

总结:

信号(源)?

结构设计 ?

地的连接 ?

EMC的三大手法与之对应:滤波! 屏蔽! 接地!

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