EMC开关电源和滤波器电磁兼容整改对策

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EMC开关电源和滤波器电磁兼容整改对策

开关电源电磁干扰的产生机理及其传播途径


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Flyback架构noise在频谱上的反应


0.15MHz处产生的振荡是开关频率的3次谐波引起的干扰;
0.2MHz处产生的振荡是开关频率的4次谐波和Mosfet振荡2(190.5KHz)基波的迭加,引起的干扰;所以这部分较强;
0.25MHz处产生的振荡是开关频率的5次谐波引起的干扰;
0.35MHz处产生的振荡是开关频率的7次谐波引起的干扰;
0.39MHz处产生的振荡是开关频率的8次谐波和Mosfet振荡2(190.5KHz)基波的迭加引起的干扰;
1.31MHz处产生的振荡是Diode振荡1(1.31MHz)的基波引起的干扰;
3.3MHz处产生的振荡是Mosfet振荡1(3.3MHz)的基波引起的干扰;
开关管、整流二极管的振荡会产生较强的干扰

设计开关电源时防止EMI的措施


1.把噪音电路节点的PCB铜箔面积最大限度地减小,如开关管的漏极、集电极、初次级绕组的节点等;
2.使输入和输出端远离噪音元件,如变压器线包、变压器磁芯、开关管的散热片等等;
3.使噪音元件(如未遮蔽的变压器线包、未遮蔽的变压器磁芯和开关管等等)远离外壳边缘,因为在正常操作下外壳边缘很可能靠近外面的接地线;
4.如果变压器没有使用电场屏蔽,要保持屏蔽体和散热片远离变压器;
5.尽量减小以下电流环的面积:次级(输出)整流器、初级开关功率器件、栅极(基极)驱动线路、辅助整流器
6.不要将门极(基极)的驱动返馈环路和初级开关电路或辅助整流电路混在一起;
7.调整优化阻尼电阻值,使它在开关的死区时间里不产生振铃响声;
8.防止EMI滤波电感饱和;
9.使拐弯节点和次级电路的元件远离初级电路的屏蔽体或者开关管的散热片;
10.保持初级电路的摆动的节点和元件本体远离屏蔽或者散热片;
11.使高频输入的EMI滤波器靠近输入电缆或者连接器端;
12.保持高频输出的EMI滤波器靠近输出电线端子;
13.使EMI滤波器对面的PCB板的铜箔和元件本体之间保持一定距离;
14.在辅助线圈的整流器的线路上放一些电阻;
15.在磁棒线圈上并联阻尼电阻;
16.在输出RF滤波器两端并联阻尼电阻;
17.在PCB设计时允许放1nF/500V陶瓷电容器或者还可以是一串电阻,跨接在变压器的初级的静端和辅助绕组之间;
18.保持EMI滤波器远离功率变压器,尤其是避免定位在绕包的端部;
19.在PCB面积足够的情况下,可在PCB上留下放屏蔽绕组用的脚位和放RC阻尼器的位置,RC阻尼器可跨接在屏蔽绕组两端;
20.空间允许的话在开关功率场效应管的漏极和门极之间放一个小径向引线电容器(米勒电容,10皮法/1千伏电容);
21.空间允许的话放一个小的RC阻尼器在直流输出端;
22.不要把AC插座与初级开关管的散热片靠在一起。

开关电源EMI的特点


作为工作于开关状态的能量转换装置,开关电源的电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器,相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高(从几十千赫和数兆赫兹),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

1MHZ以内—-以差模干扰为主,增大X电容就可解决;
1MHZ—5MHZ—差模共模混合,采用输入端并一系列X电容来滤除差摸干扰并分析出是哪种干扰超标并解决;
5M以上—以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法。对于外壳接地的,在地线上用一个磁环绕2圈会对10MHZ以上干扰有较大的衰减(diudiu2006);对于25–30MHZ不过可以采用加大对地Y电容、在变压器外面包铜皮、改变PCBLAYOUT、输出线前面接一个双线并绕的小磁环,最少绕10圈、在输出整流管两端并RC滤波器;
30—50MHZ—普遍是MOS管高速开通关断引起,可以用增大MOS驱动电阻,RCD缓冲电路采用1N4007慢管,VCC供电电压用1N4007慢管来解决;
100—200MHZ—普遍是输出整流管反向恢复电流引起,可以在整流管上串磁珠;
100MHz-200MHz之间大部分出于PFCMOSFET及PFC二极管,现在MOSFET及PFC二极管串磁珠有效果,水平方向基本可以解决问题,但垂直方向就很无奈了。
开关电源的辐射一般只会影响到100M以下的频段,也可以在MOS、二极管上加相应吸收回路,但效率会有所降低。


1MHZ以内—-以差模干扰为主

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)。



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。
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。



5M以上—以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法

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;也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。

对于20–30MHZ

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PCBLAYOUT;
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BEADCORE;
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。



30—50MHZ普遍是MOS管高速开通关断引起

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BEADCORE;
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。
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BEADCORE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,一般可过EMI标准。



传导方面EMI对策


    传导冷机时在0.15-1MHZ超标,热机时就有7DB余量。主要原因是初级BULK电容DF值过大造成的,冷机时ESR比较大,热机时ESR比较小,开关电流在ESR上形成开关电压,它会压在一个电流LN线间流动,这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感………

EMC硬件设计规范与滤波器使用注意事项

硬件EMC规范讲解

电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。EMC就围绕这些问题进行研究。最基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波、接地。它们主要用来切断干扰的传输途径。广义的电磁兼容控制技术包括抑制干扰源的发射和提高干扰接收器的敏感度,但已延伸到其他学科领域。

本规范重点在单板的EMC设计上,附带一些必须的EMC知识及法则。在印制电路板设计阶段对电磁兼容考虑将减少电路在样机中发生电磁干扰。问题的种类包括公共阻抗耦合、串扰、高频载流导线产生的辐射和通过由互连布线和印制线形成的回路拾取噪声等。

在高速逻辑电路里,这类问题特别脆弱,原因很多:

1、电源与地线的阻抗随频率增加而增加,公共阻抗耦合的发生比较频繁;
2、信号频率较高,通过寄生电容耦合到步线较有效,串扰发生更容易;
3、信号回路尺寸与时钟频率及其谐波的波长相比拟,辐射更加显著。
4、引起信号线路反射的阻抗不匹配问题。

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No.1 总体概念及考虑 

1、五一五规则,即时钟频率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns,则PCB板须采用多层板。

2、不同电源平面不能重叠。

3、公共阻抗耦合问题。

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由于地平面电流可能由多个源产生,感应噪声可能高过模电的灵敏度或数电的抗扰度。

解决办法:

①模拟与数字电路应有各自的回路,最后单点接地;
 
②电源线与回线越宽越好;
 
③缩短印制线长度;
 
④电源分配系统去耦。

4、减小环路面积及两环路的交链面积。

5、一个重要思想是:PCB上的EMC主要取决于直流电源线的Z

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No.2 布局

下面是电路板布局准则:
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1、 晶振尽可能靠近处理器

2、 模拟电路与数字电路占不同的区域

3、 高频放在PCB板的边缘,并逐层排列

4、 用地填充空着的区域

No.3 布线 

1、电源线与回线尽可能靠近,最好的方法各走一面。
 
2、为模拟电路提供一条零伏回线,信号线与回程线小与5:1。
 
3、针对长平行走线的串扰,增加其间距或在走线之间加一根零伏线。
 
4、手工时钟布线,远离I/O电路,可考虑加专用信号回程线。
 
5、关键线路如复位线等接近地回线。
 
6、为使串扰减至最小,采用双面#字型布线。
 
7、高速线避免走直角。
 
8、强弱信号线分开。
 
No.4 屏蔽

1、屏蔽 > 模型:
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屏蔽效能SE(dB)=反射损耗R(dB)+吸收损耗A(dB)

高频射频屏蔽的关键是反射,吸收是低频磁场屏蔽的关键机理。

2、工作频率低于1MHz时,噪声一般由电场或磁场引起,(磁场引起时干扰,一般在几百赫兹以内),1MHz以上,考虑电磁干扰。单板上的屏蔽实体包括变压器、传感器、放大器、DC/DC模块等。更大的涉及单板间、子架、机架的屏蔽。

3、 静电屏蔽不要求屏蔽体是封闭的,只要求高电导率材料和接地两点。电磁屏蔽不要求接地,但要求感应电流在上有通路,故必须闭合。磁屏蔽要求高磁导率的材料做 封闭的屏蔽体,为了让涡流产生的磁通和干扰产生的磁通相消达到吸收的目的,对材料有厚度的要求。高频情况下,三者可以统一,即用高电导率材料(如铜)封闭并接地。

4、对低频,高电导率的材料吸收衰减少,对磁场屏蔽效果不好,需采用高磁导率的材料(如镀锌铁)。

5、磁场屏蔽还取决于厚度、几何形状、孔洞的最大线性尺寸。

6、磁耦合感应的噪声电压UN=jwB.A.coso=jwM.I1,(A为电路2闭合环路时面积;B为磁通密度;M为互感;I1为干扰电路的电流。降低噪声电压,有两个途径,对接收电路而言,B、A和COS0必须减小;对干扰源而言,M和I1必须减小。双绞线是个很好例子。它大大减小电路的环路面积,并同时在绞合的另一根芯线上产生相反的电动势。

7、防止电磁泄露的经验公式:缝隙尺寸<λmin/20。好的电缆屏蔽层覆视率应为70%以上。

No.5 接地

1、300KHz以下一般单点接地,以上多点接地,混合接地频率范围50KHz~10MHz。另一种分法是:< 0.05λ单点接地;< 0.05λ多点接地。

2、好的接地方式:树形接地
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 3、信号电路屏蔽罩的接地。
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接地点选在放大器等输出端的地线上。

4、对电缆屏蔽层,L< 0.15λ时,一般均在输出端单点接地。L<0.15λ时,则采用多点接地,一般屏蔽层按0.05λ或0.1λ间隔接地。混合接地时,一端屏蔽层接地,一端通过电容接地。

5、对于射频电路接地,要求接地线尽量要短或者根本不用接线而实现接地。最好的接地线是扁平铜编织带。当地线长度是λ/4波长的奇数倍时,阻抗会很高,同时相当λ/4天线,向外辐射干扰信号。

6、单板内数字地、模拟地有多个,只允许提供一个共地点。

7、接地还包括当用导线作电源回线、搭接等内容。

No.6 滤波

1、选择EMI信号滤波器滤除导线上工作不需要的高频干扰成份,解决高频电磁辐射与接收干扰。它要保证良好接地。分线路板安装滤波器、贯通滤波器、连接器滤波器。从电路形式分,有单电容型、单电感型、L型、π型。π型滤波器通带到阻带的过渡性能最好,最能保证工作信号质量。

一个典型信号的频谱:
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2、选择交直流电源滤波器抑制内外电源线上的传导和辐射干扰,既防止EMI进入电网,危害其它电路,又保护设备自身。它不衰减工频功率。DM(差摸)干扰在频率 < 1mhz时占主导地位。cm在> 1MHz时,占主导地位。
 
3、使用铁氧体磁珠安装在元件的引线上,用作高频电路的去耦,滤波以及寄生振荡的抑制。
 
4、尽可能对芯片的电源去耦(1-100nF),对进入板极的直流电源及稳压器和DC/DC转换器的输出进行滤波(uF)。
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注意减小电容引线电感,提高谐振频率,高频应用时甚至可以采取四芯电容。电容的选取是非常讲究的问题,也是单板EMC控制的手段。

No.7 其它

单板的干扰抑制涉及的面很广,从传输线的阻抗匹配到元器件的EMC控制,从生产工艺到扎线方法,从编码技术到软件抗干扰等。一个机器的孕育及诞生实际上是EMC工程。最主要需要工程师们设计中注入EMC意识。在实验测试过程中,我们常遇到这样的情况:虽然设计工程师在设备电源线上接了电源滤波器,但是该设备还是不能通过”传导骚扰电压发射”测试,工程师怀疑滤波器的滤波效果不好,不断更换滤波器,仍不能得到理想的效果。
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EMC寄语随着时代的发展,越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测,其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵,EMC实验室造价昂贵,绝大部分测量设备又需要采用进口设备,导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的,一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素,就会很容易导致EMC测试失败,以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如,产品设计研发工程师们根据需求,设计出效果良好的滤波电路,置入产品I/O(输入/输出)接口的前级,可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处;设计出隔离电路(如变压器隔离和光电隔离等)解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰,同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰;设计出能量吸收回路,从而减少电路、器件吸收的噪声能量;通过选择元器件和合理安排的电路系统,使干扰的影响减少。

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