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[整改]开关电源EMI产生机理及整改经验总结

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lds lds 发表于 2020-1-14 22:41:01
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   变换器工作在高频情况时,由于dv/dt很高,激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容,从而产生了共模干扰。如图1所示,共模干扰电流从具有高dv/dt的开关管出发流经接地散热片和地线,再由高频LISN网络(由两个50Ω电阻等效)流回输入线路。  




根据共模干扰产生的原理,实际应用时常采用以下几种抑制方法:      1)优化电路器件布置,尽量减少寄生、耦合电容。  
    2)延缓开关的开通、关断时间。但是这与开关电源高频化的趋势不符。  
3)应用缓冲电路,减缓dv/dt的变化率。 差模(DM)干扰  
开关变换器中的电流在高频情况下作开关变化,从而在输入、输出的滤波电容上产生很高的di/dt,即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应了干扰电压。这
时就会产生差模干扰。故选用高质量的滤波电容(等效电感或阻抗很低)可以降低差模干扰。  
辐射干扰的产生和传播  
辐射干扰又可分为近场干扰〔测量点与场源距离<λ/6(λ为干扰电磁波波长)〕和远场干扰(测量点与场源距离>λ/6)。由麦克斯韦电磁场理论可知,导体中变化的电流会在其周围空间中产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场,两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生的电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在开关电源电路中,主电路中的元器件、连线等都可认为是天线,可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时,二极管、开关管、电容等可看成电偶极子;电感线圈可以认为是磁偶极子;  
一. 1MHZ以内,以差模干扰为主。(整改建议)
1. 增大X电容量; 2. 添加差模电感;
3. 小功率电源可采用 PI 型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可
选用较大些)。
二 . 1MHZ-5MHZ,差模共模混合,采用输入端并联一系列 X 电容来滤除差摸干
扰并分析出是哪种干扰超标并以解决,(整改建议)
1. 对于差模干扰超标可调整 X 电容量,添加差模电感器,调差模电感量; 2. 对于共模干扰超标可添加共模电感,选用合理的电感量来抑制; 3. 也可改变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。
三 .  5M以上,以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法(整改建议)
1. 对于外壳接地的,在地线上用一个磁环串绕 2-3 圈会对 10MHZ 以上干
扰有较大的衰减作用; 可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔, 铜箔闭环. 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大小。
四 .  20-30MHZ,(整改建议)
1. 对于一类产品可以采用调整对地Y2 电容量或改变Y2 电容位置; 2. 调整一二次侧间的Y1 电容位置及参数值;
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. 改变PCB LAYOUT;
5. 输出线前面接一个双线并绕的小共模电感;
6. 在输出整流管两端并联RC滤波器且调整合理的参数; 7. 在变压器与MOSFET之间加BEAD CORE; 8. 在变压器的输入电压脚加一个小电容。 9. 可以用增大MOS驱动电阻.
五. 30-50MHZ,普遍是MOS管高速开通关断引起。(整改建议)
1. 可以用增大MOS驱动电阻; 2. RCD缓冲电路采用1N4007 慢管; 3. VCC供电电压用1N4007 慢管来解决;
4. 或者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。
六. 50-100MHZ,普遍是输出整流管反向恢复电流引起。
1. 可以在整流管上串磁珠;
2. 调整输出整流管的吸收电路参数;
3. 可改变一二次侧跨接Y电容支路的阻抗,如PIN脚处加BEAD CORE
或串接适当的电阻;
4. 也可改变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,改变散热器的接地点); 5. 增加屏蔽铜箔抑制向空间辐射。
200MHZ以上,开关电源已基本辐射量很小,一般均可过EMI标准。  
辐射超标要先判定以下信息,通常整改的流程:
1. 辐射超标的极化方向:是垂直还是水平?
2. 初步判定辐射器是什么?如果是电源适配器,你可以把输出线全部放到测试桌上,这时AC输入线是垂直的,输出线是水平的。可以初步判定辐射骚扰来自输入线还是输出线,当然还有一个因素可能是电源本身发出的这要另外再分析。
3.判定骚扰信号的特性:共模还是差模?如果辐射骚扰水平和垂直都存在的话,那这个骚扰的特性是共模的;如果是骚扰超标仅仅存在于水平或是垂直,那就是差模的。
4. 按照骚扰信号的特性,辐射器的位置,可以初步判定骚扰源和骚扰耦合的路径,根据这个信息,可以对EMI的三要素做对策:首先是抑制骚扰源,其次是调整骚扰路径,最后是调整辐射器或交敏感器件。
5.抑制骚扰源,通常是开关管,二极管和变压器等,对策无非是加Bead core或是Vds并合适的电容,抑或是调整Snubber线路或加RC缓冲线路。这里强调以下在设计初期选择线路拓扑对EMI的影响,比如谐振或是软开关,抖频的选择都是有助于EMI的。
6.调整骚扰路径,这要判定是共模还是差模,不管对传导还是辐射,都是有必要的。不管是传导还是辐射都是有回路的,那就存在阻抗,所以我们能够做的有两点:一是调整回路,比如对骚扰信号接地处理,就是使其回到源端,增加解耦的电容也是这个原理;其次是增加阻抗,比如加Bead core 或
是加入电感或是滤波器,就是在调整骚扰回路的阻抗,因为骚扰回路有很多,关系到电磁场的转换,共模差模的转换,有点复杂就不能一两句说明白,但是对电感,磁珠的高频阻抗特性,要了解,知道针对不同的频率超标,选择不同的材料,比如刚才说的解耦电容,0.1uF和0.01uF对应的频率范围是不同的。
7. 调整辐射器或是敏感线路:这个对策比较好理解,如果是从AC或DC输入输出线上出来的信号,可以在线上做对策,比如屏蔽,加Core之类的,注意屏蔽的方式  
补充说明:
开关电源高频变压器初次间一般是屏蔽层的,以上未加缀述。开关电源是高频产品,PCB的元器件布局对EMI有直接关系,MOS 漏极铜箔走线环路尽可能短粗,开关电源若有机械外壳,外壳的结构对辐射有很大的影响,主开关管、主二极管不同的生产厂家参数有一定的差异,对 EMC 有一定的影响,以上请密切注意!
开关电源EMI产生机理及整改经验总结
整理:柏自飞
共模(CM)干扰  
    变换器工作在高频情况时,由于dv/dt很高,激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容,从而产生了共模干扰。如图1所示,共模干扰电流从具有高dv/dt的开关管出发流经接地散热片和地线,再由高频LISN网络(由两个50Ω电阻等效)流回输入线路。  

图1  典型开关变换器中共模、差模干扰的传播路径
根据共模干扰产生的原理,实际应用时常采用以下几种抑制方法:      1)优化电路器件布置,尽量减少寄生、耦合电容。  
    2)延缓开关的开通、关断时间。但是这与开关电源高频化的趋势不符。  
3)应用缓冲电路,减缓dv/dt的变化率。 差模(DM)干扰  
开关变换器中的电流在高频情况下作开关变化,从而在输入、输出的滤波电容上产生很高的di/dt,即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应了干扰电压。这
时就会产生差模干扰。故选用高质量的滤波电容(等效电感或阻抗很低)可以降低差模干扰。  
辐射干扰的产生和传播  
辐射干扰又可分为近场干扰〔测量点与场源距离<λ/6(λ为干扰电磁波波长)〕和远场干扰(测量点与场源距离>λ/6)。由麦克斯韦电磁场理论可知,导体中变化的电流会在其周围空间中产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场,两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生的电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在开关电源电路中,主电路中的元器件、连线等都可认为是天线,可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时,二极管、开关管、电容等可看成电偶极子;电感线圈可以认为是磁偶极子;  
一. 1MHZ以内,以差模干扰为主。(整改建议)
1. 增大X电容量; 2. 添加差模电感;
3. 小功率电源可采用 PI 型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可
选用较大些)。
二 . 1MHZ-5MHZ,差模共模混合,采用输入端并联一系列 X 电容来滤除差摸干
扰并分析出是哪种干扰超标并以解决,(整改建议)
1. 对于差模干扰超标可调整 X 电容量,添加差模电感器,调差模电感量; 2. 对于共模干扰超标可添加共模电感,选用合理的电感量来抑制; 3. 也可改变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。
三 .  5M以上,以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法(整改建议)
1. 对于外壳接地的,在地线上用一个磁环串绕 2-3 圈会对 10MHZ 以上干
扰有较大的衰减作用; 可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔, 铜箔闭环. 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大小。
四 .  20-30MHZ,(整改建议)
1. 对于一类产品可以采用调整对地Y2 电容量或改变Y2 电容位置; 2. 调整一二次侧间的Y1 电容位置及参数值;
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. 改变PCB LAYOUT;
5. 输出线前面接一个双线并绕的小共模电感;
6. 在输出整流管两端并联RC滤波器且调整合理的参数; 7. 在变压器与MOSFET之间加BEAD CORE; 8. 在变压器的输入电压脚加一个小电容。 9. 可以用增大MOS驱动电阻.
五. 30-50MHZ,普遍是MOS管高速开通关断引起。(整改建议)
1. 可以用增大MOS驱动电阻; 2. RCD缓冲电路采用1N4007 慢管; 3. VCC供电电压用1N4007 慢管来解决;
4. 或者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。
六. 50-100MHZ,普遍是输出整流管反向恢复电流引起。
1. 可以在整流管上串磁珠;
2. 调整输出整流管的吸收电路参数;
3. 可改变一二次侧跨接Y电容支路的阻抗,如PIN脚处加BEAD CORE
或串接适当的电阻;
4. 也可改变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,改变散热器的接地点); 5. 增加屏蔽铜箔抑制向空间辐射。
200MHZ以上,开关电源已基本辐射量很小,一般均可过EMI标准。  
辐射超标要先判定以下信息,通常整改的流程:
1. 辐射超标的极化方向:是垂直还是水平?
2. 初步判定辐射器是什么?如果是电源适配器,你可以把输出线全部放到测试桌上,这时AC输入线是垂直的,输出线是水平的。可以初步判定辐射骚扰来自输入线还是输出线,当然还有一个因素可能是电源本身发出的这要另外再分析。
3.判定骚扰信号的特性:共模还是差模?如果辐射骚扰水平和垂直都存在的话,那这个骚扰的特性是共模的;如果是骚扰超标仅仅存在于水平或是垂直,那就是差模的。
4. 按照骚扰信号的特性,辐射器的位置,可以初步判定骚扰源和骚扰耦合的路径,根据这个信息,可以对EMI的三要素做对策:首先是抑制骚扰源,其次是调整骚扰路径,最后是调整辐射器或交敏感器件。
5.抑制骚扰源,通常是开关管,二极管和变压器等,对策无非是加Bead core或是Vds并合适的电容,抑或是调整Snubber线路或加RC缓冲线路。这里强调以下在设计初期选择线路拓扑对EMI的影响,比如谐振或是软开关,抖频的选择都是有助于EMI的。
6.调整骚扰路径,这要判定是共模还是差模,不管对传导还是辐射,都是有必要的。不管是传导还是辐射都是有回路的,那就存在阻抗,所以我们能够做的有两点:一是调整回路,比如对骚扰信号接地处理,就是使其回到源端,增加解耦的电容也是这个原理;其次是增加阻抗,比如加Bead core 或
是加入电感或是滤波器,就是在调整骚扰回路的阻抗,因为骚扰回路有很多,关系到电磁场的转换,共模差模的转换,有点复杂就不能一两句说明白,但是对电感,磁珠的高频阻抗特性,要了解,知道针对不同的频率超标,选择不同的材料,比如刚才说的解耦电容,0.1uF和0.01uF对应的频率范围是不同的。
7. 调整辐射器或是敏感线路:这个对策比较好理解,如果是从AC或DC输入输出线上出来的信号,可以在线上做对策,比如屏蔽,加Core之类的,注意屏蔽的方式  
补充说明:
开关电源高频变压器初次间一般是屏蔽层的,以上未加缀述。开关电源是高频产品,PCB的元器件布局对EMI有直接关系,MOS 漏极铜箔走线环路尽可能短粗,开关电源若有机械外壳,外壳的结构对辐射有很大的影响,主开关管、主二极管不同的生产厂家参数有一定的差异,对 EMC 有一定的影响,以上请密切注意!


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