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EMI传导输入滤波器的设计理论

物联网智能电子产品&设备开关电源系统的输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的EMS设计也是非常关键的!

今天讲的物联网智能电子产品&设备的开关电源系统的EMS的图片:

瞬态干扰(EMS)对智能设备会产生威胁,出现产品功能及性能的问题!

差模干扰(EMS)其尖峰噪声电压对设备会直接产生威胁,出现产品功能及性能的问题!

共模干扰(EMS)其尖峰噪声电压对设备不会直接产生威胁;共模干扰不直接影响设备,而是通过转化为差模电压来影响设备的!由于系统要采用交流AC供电同时要求有下的体积和效率,开关电源的应用必不可少!

注意:电子产品&设备就开关电源系统来说!如果撇开开关电源的输入滤波器

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,物联网及智能产品&设备的开关电源系统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!

1.开关电源系统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.开关电源系统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.开关电源系统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.开关电源系统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。

对于整个物联网电子产品及设备由于有高频的数据通讯系统其PCB的设计多采用双面板及多层板的设计我将PCB的设计再提供参考:

A.PCB-地走线(地平面的完整性)

B.PCB-地回路(回路面积最小化)

C.PCB-接地点的位置(干扰源入口要就近接地)

为什么要设计EMI低通滤波器来增加高频插入损耗?(AC输入开关电源设计系统)

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:开关电源系统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。

如下电子产品&设备的内部电路板的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,多数开关电源系统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;所以对开关电源系统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电子产品&设备的开关电源系统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

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