TA的每日心情 | 开心
2019-11-19 15:19 |
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工程师经验分享：开关电源的EMI设计 ' |" M- b4 G* j0 L; W! g% g5 b
, G/ V: W$ T( R4 {# e
开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。# c- o3 _$ _- w8 ~! `! O: @; C
$ C" `: F8 L; W8 E2 Q 1.开关电源的EMI源$ O- d+ ]8 G) {% x
" W X4 m; e6 ^& L) v) e( t' E 开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
0 |8 s: S2 E" q, Q& ~
5 n% V# [% `* f. f+ d; U （1）功率开关管
& \% j3 T r" [2 {, g* T, H/ H2 ]' Z+ ` z( `
功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。/ X; ?" p$ [7 z7 j' b& z
0 m7 b7 k$ y' _" D& D' p, y
（2）高频变压器, C( |# `6 H" X4 s; c' H/ Q
8 X6 _# b" Z2 T* t 高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。
0 {' X l u/ r& G
; k; F, D K" X7 Y0 b1 J （3）整流二极管' Y( L. v' e$ n+ F& L M
, k, E# b. ]$ b( s3 ?- P
整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。
1 _; j# q5 J4 v7 a2 N7 J( \! z: ~* x# P. R; r. W" V
（4）PCB/ p9 D# e- n# f4 b
' c3 h- U/ L$ w" Y% b i% |
准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。# u% e: d% {% M8 v' Z* e! z
/ F- B( T0 h, h9 T A 2.开关电源EMI传输通道分类8 v' n) t2 ^$ i# \9 q
4 _- o# [' r2 k' j& f/ G. {/ v （一）传导干扰的传输通道
. {0 q7 \( Q* g
! U% S$ B1 o( o （1）容性耦合
; b( s$ K, r) {; k h! P' k9 _+ |" ^+ K4 O$ H/ N% k4 K s& Q; }4 V
（2）感性耦合: B& _/ O. Y1 X7 g
: x( I0 }- m) I* u1 y0 U
（3）电阻耦合1 O+ v/ j, u! V3 i* o% ^/ K
, o! F6 P- V, k a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合2 j' M/ v& i) }9 H) t" Q
9 ^$ z3 g! x: ]. t: R5 ~9 g& [ H" z
b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合
" @0 n) c+ U# X: i) }6 H4 A4 y! S& v# ~/ G9 ^, b, W
c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合" J' j/ ]2 F% F$ o% K) }9 `0 u
+ m9 v% P+ Y. W/ \' d6 e9 b3 m
（二）辐射干扰的传输通道" w, q3 p. O( s- e* j" c# z
7 c# M r' u1 t" i: O7 {& d, ~, v （1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；9 }! k# H* S& y ? A f, i
" @4 I7 m p! `$ r3 \) P
（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；
1 p+ i& B* c3 ^2 Q: R5 C" R3 N2 j- F; X+ e. {
（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。1 r3 g& C2 O) Y# L9 ^$ I9 d! P# d
- ?) {7 G. H- l5 @. c% l
3.开关电源EMI抑制的9大措施
! G. M' L) ~4 Y* l( A" U. i7 [. E2 o/ Z% z
在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：2 J f6 M0 }3 [4 w
, P* P( T4 ^9 ~8 }& z1 l （1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；
8 P; ]) U8 F: Q/ Y7 k; c5 D. Q. A# ^* E' f
（2）通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
. ^/ [3 r4 u. a! p8 n) [/ n, D% a% W2 w
分开来讲，9大措施分别是：
! ^# W/ A6 c( N" K0 z% m( b
* d4 ^" O6 U/ m. a7 t （1）减小dv/dt和di/dt（降低其峰值、减缓其斜率）2 g0 V) R" c' a- t' r% J
2 J8 H$ o; ]. [1 b* g5 P0 {
（2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压
+ |: c0 V/ [+ r0 r4 @$ B) U: l& H. W. l0 O7 z! k. Q
（3）阻尼网络抑制过冲3 R/ w+ n) D7 J: |- H0 Q! o3 _/ {1 N
% R' w) |9 I5 @/ r. Y* w6 J （4）采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI) c: Z* q- h: ` a3 c, `) ^
9 y+ i2 y$ w- K6 c8 F! [0 L
（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术5 u$ d* ? P7 M
2 B$ x8 j* z4 j5 f1 s( k2 q （6）采用合理设计的电源线滤波器" Z) ]* r2 M1 V
3 k5 R. B) q2 U' z- \ （7）合理的接地处理8 A( W' R, F0 _7 D) x$ V. [! l6 @$ w
8 R) ~2 k6 Z1 h# r3 ~ （8）有效的屏蔽措施) Z5 I$ B: d) T3 a6 @
) y6 t. K. r' ~
（9）合理的PCB设计
* h* } x& }* s
+ d3 X7 Z* J! Y" r4 C 4.高频变压器漏感的控制5 k+ Z( Q+ q* s# b- Z5 Y
k/ b T5 j- N7 d5 H 高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。) Y! p& J0 ]/ Y$ U# \8 [2 T
% I- X' }' | C2 B. N2 p
减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！
4 L2 s) f/ f" U# q5 O I( O- O
1 `' q' M, j4 b9 K （1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。
: E- p1 ~, i4 z- ?$ H) l" U. C# {$ J; z
（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。
' r( B# L: U& q* h7 [
$ c" N* E$ J; Q; c7 k/ \9 C/ {" ~ （3）增加绕组间耦合度，减小漏感。
. `2 b" d$ S, b/ [9 d
' F2 b/ C, I# V9 [6 H 5.高频变压器的屏蔽
/ A" V4 y% `" s) T1 C4 f2 L8 @9 Y4 ~
为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。. C" G# I* S8 c5 ?
( w1 l! @6 u: k$ v- e1 o
高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：3 s* _) T$ e5 x* p3 ~
, B( Q" u& M! T0 W* H （1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；
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. G @0 S6 \' e" m" s3 I. K （2）用“玻璃珠”（Glassbeads）胶合剂粘结磁心，效果更好。
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发表于 2018-12-18 09:31
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