开关电源EMI处理新方法

开关电源的EMI处理新方法EMI,开关电源一、开关电源EMI整改中，关于不同频段干扰原因及抑制办法。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;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。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；②RCD缓冲电路采用1N4007慢管；③VCC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；⑧PCB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。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.,请密切注意此点。开关电源若有机械外壳，外壳的结构对辐射有很大的影响，请密切注意此点。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，请密切注意此点。二、EMI滤波器设计原理在开关电源中，主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的DV/DT和DI/DT，因而电磁发射EME(ElectromagneticEmission)通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多国际和国家标准所规定，频率范围在0.15～30MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。简言之，EMI滤波器设计可以理解为要满足以下要求：1）规定要求的阻带频率和阻带衰减；（满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减）；2）对电网频率低衰减（满足规定的通带频率和通带低衰减）；3）低成本。三、开关电源EMI设计1.开关电源的EMI源开关电源的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。（1）功率开关管功率开关管工作在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。（2）高频变压器高频变压器的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。（3）整流二极管整流二极管的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。（4）PCB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。2.开关电源EMI传输通道分类（1）传导干扰的传输通道1）容性耦合2）感性耦合3）电阻耦合a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合；b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合；c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合；（2）辐射干扰的传输通道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；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）；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。3.开关电源EMI抑制的9大措施在开关电源中，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：（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；（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。分开来讲，9大措施分别是：①减小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、减缓其斜率）；②压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压；③阻尼网络抑制过冲④采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI⑤有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术⑥采用合理设计的电源线滤波器⑦合理的接地处理⑧有效的屏蔽措施⑨合理的PCB设计4.高频变压器漏感的控制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。减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计。（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。（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。（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。5.高频变压器的屏蔽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。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：（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；（2）用“玻璃珠”（Glassbeads）胶合剂粘结磁心，效果更好。四、几种新的抑制传导干扰的方法开关电源技术是一项综合性技术，我们可以利用先进半导体设计技术、磁性材料、电感元件技术以及开关器件技术等来有效地减少和抑制EMI信号干扰。目前，开关电源日益广泛地应用到各种控制设备、通信设备以及家用电器中，其电磁干扰问题、及与其它电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点，未来电磁干扰及其相关问题必将得到更多研究。1．新的控制方法—调制频率（ModulatedFrepuecy）控制。电磁干扰是根据开关频率周期变化的，干扰能量集中在离散的开关频率点上，很难满足EMI标准的要求。如果把开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列分立边频带，则可以将干扰频谱展开，使干扰能量分布在各个频段上，这样更容易达到EMI标准。频率调制方法就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。最初人们采用随机频率控制，其主要思想是：在控制回路中加入一个随机扰动分量，使开关间隔（占空比D）进行不规则变化。则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。2．新的无源缓冲电路设计。开关变换器中主要的电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例，在开通时，其反向恢复电流不仅引起大量的开通损耗，还产生很大的di/dt。导致电磁干扰；在关断时，其两端的电压快速升高，有很大的dv/dt，从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可抑制开通时di/dt变化率、限制关断时dv/dt的变化，还具有电路简单、成本低的特点，因而得到广泛应用。3．无源补偿技术。应用无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下较好地抑制电路的共模干扰，并可减少LCM、节省成本。由于共模干扰是由开关器件的寄生电容在高频时的di/dt产生的，因此，用一个额外的变压器绕组在补偿电容上产生一个180度的反向电压，产生的补偿电流再与寄生电容上的干扰电流迭加，从而消除干扰。这就是无源补偿的原理。由于布线的原因，信号通过地线、电源和传输线的阻抗互相耦合而形成的噪声。因电源滤波不佳造成泄漏，甚至形成寄生振荡。电磁耦合会在PCB/变压器和输入/出端引起所谓差模噪声和共模噪声，见图1的示意图。这完全由电磁干扰在两电源线上产生的耦合电流的方向来决定，噪声电流IN与差模信号电流IS方向相同时，产生差模噪声；噪声电流IN在两输入线上方向相同，则产生共模噪声。差模噪声和共模噪声往往同时产生。图1(a)差模噪声(b)共模噪声4．屏蔽屏蔽就是在电子电路中将噪声干扰源屏蔽起来。例如将变压器屏蔽起来，因为变压器是一个很大的电磁干扰源。变压器的干扰一般具有方向性，改变方向也能有效降低干扰强度。最怕受干扰的部分屏蔽起来。例如放大器的输入回路。屏蔽分电场屏蔽和磁场屏蔽，屏蔽材料可用铜、铝、铁的箔片制成，也可采用铁淦氧和坡莫合金等材料。铁淦氧是绝缘导磁材料，可屏蔽磁场，坡莫合金是良好的导电、导磁材料，可有效屏蔽电场和磁场。在要求高的场合，可以采用多层屏蔽。典型的屏蔽原理图见图2。图2静电屏蔽原理磁屏蔽原理5．滤波和去耦滤波是将交流电源整流后的交流分量抑制掉。滤波后，直流电源中的纹波对电子电路各级的影响是不同的。因此需要对敏感部分或源加去耦合电路，去耦电路就是一个RC电容滤波电路，见图3。合理布置电源的供电走线，将流有大电流的走线和输入级的供电线分开，供电线成网状分布，以降低印制电路板的铜箔电阻。图3RC去耦电路6．合理接地合理接地十分重要，它可以基本消除电流流过地线形成的耦合。通过地线的耦合示意图见图4。采用一点接地可有效消除之间通过地线的不良耦合。一点接地就是将电子电路各级的接地点接在一点，特别要注意噪音源地线与退耦电容的接地点要尽可能地接在一点。图4正确接地的方法7．抑制从变压器串入的干扰功率器件开关干扰，特别是高频干扰，可通过变压器进入线/PCB中。抑制这种干扰的方法是给变压器原副绕组之间加屏蔽层，加输入低通滤波器。这些技术措施如图5所示。