开关电源EMC产生机理及其对策.ppt

开关电源emc产生机理及其对策 拟稿 方彬辉日期 march 3th 2011 emc的分类及标准 emc electromagneticcompatibility 是电磁兼容 它包括emi 电磁骚扰 和ems 电磁抗骚扰 emc定义为 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 emc整的称呼为电磁兼容 emp是指电磁脉冲 emc emi emsemi 電磁干擾ems 電磁相容性 免疫力 emi可分为传导conduction及辐射radiation两部分 conduction规范一般可分为 fccpart15jclassb cispr22 en55022 en61000 3 2 en61000 3 3 classb 国标it类 gb9254 gb17625 和av类 gb13837 gb17625 fcc测试频率在450k 30mhz cispr22测试频率在150k 30mhz conduction可以用频谱分析仪测试 radiation则必须到专门的实验室测试 emc的分类及标准 emi为电磁干扰 emi是emc其中的一部分 emi electronicmagneticinterference 电磁干扰 emi包括传导 辐射 电流谐波 电压闪烁等等 电磁干扰是由干扰源 藕合通道和接收器三部分构成的 通常称作干扰的三要素 emi线性正比于电流 电流回路面积以及频率的平方即 emi k i s f2 i是电流 s是回路面积 f是频率 k是与电路板材料和其他因素有关的一个常数 辐射干扰 30mhz 1ghz 是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的 但不是任何装置都能辐射电磁波的 传导干扰 150k 30mhz 是沿着导体传播的干扰 所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接 emi是指产品的对外电磁干扰 一般情况下分为classa classb两个等级 classa为工业等级 classb为民用等级 民用的要比工业的严格 因为工业用的允许辐射稍微大一点 同样产品在测试emi中的辐射测试来讲 在30 230mhz下 b类要求产品的辐射限值不能超过40dbm而a类要求不能超过50dbm 以三米法电波暗室测量为例 相对要宽松的多 一般来说classa是指在emi测试条件下 无需操作人员介入 设备能按预期持续正常工作 不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失 emc的分类及标准 emi是设备正常工作时测它的辐射和传导 在测试的时候 emi的辐射和传导在接收机上有两个上限 分别代表classa和classb 如果观察的波形超过b的线但是低于a的线 那么产品就是a类的 ems是用测试设备对产品干扰 观察产品在干扰下能否正常工作 如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降 为a级 能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降 为b级 不能自动重启需人为重启为c级 挂掉为d级 国标有d级的规定 en只有a b c emi在工作频率的奇数倍是最不好过的 ems electmmagneticsuseeptibilkr 电磁敏感度一般俗称为 电磁免疫力 是设备抗外界骚扰干扰之能力 emi是设备对外的骚扰 ems中的等级是指 classa 测试完成后设备仍在正常工作 classb 测试完成或测试中需要重启后可以正常工作 classc 需要人为调整后可以正常重启并正常工作 classd 设备已损坏 无论怎样调整也无法启动 严格程度emi是b a ems是a b c d x电容的作用 抑制差模杂讯 电容量越大 抑制低频杂讯效果越好 y电容的作用 抑制共模杂讯 电容量越大 抑制低频杂讯效果越好 y电容使次级到初级地线提供一个低阻抗回路 使流向地再通过lisn回来的电流直接短路掉 由于y电容非完全理想 次级各部分间也存在阻抗 所以不可能全部回来 还是有一部分流到地 y电容必须直接用尽量短的直线连接到初级和次级的冷地 如果开通时mos的dv dt大于关断时的dv dt 则y电容连接到初级的地 反之连接到v 共模电感的作用 抑制共模杂讯 电感量越大 抑制低频杂讯效果越好 增加共模电流部分的阻抗 减小共模电流 差模电感的作用 抑制差模杂讯 电感量越大 抑制低频杂讯效果越好 开关电源emi的特点及对策 传导部分1mhz以内以差模干扰为主1 150khz 1mhz 以差模为主 1 5mhz 差模和共模共同起作用 5mhz以后基本上是共模 差模干扰的分容性藕合和感性藕合 一般1mhz以上的干扰是共模 低频段是差摸干扰 用一个电阻串个电容后再并到y电容的引脚上 用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰 2 保险过后加差模电感或电阻 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 4 前端的 型emi零件中差模电感只负责低频emi 体积別选太大 dr8太大 能用电阻型式或dr6更好 否則幅射不好过 必要时可串磁珠 因为高频会直接飞到前端不会跟着线走 5 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 6 测试150khz总超标的解决方案 加大x电容看一下能不能下来 如果下来了说明是差模干扰 如果没有太大作用那么是共模干扰 或者把电源线在一个大磁环上绕几圈 下来了说明是共模干扰 如果干扰曲线后面很好 就减小y电容 看一下布板是否有问题 或者就在前面加磁环 7 可以加大pfc输入部分的单绕组电感的电感量 8 pwm线路中的元件将主频调到60khz左右 开关电源emi的特点及对策 传导部分1mhz以内以差模干扰为主9 用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上 10 共模电感的两边感量不对称 有一边匝数少一匝也可引起传导150khz 3mhz超标 11 一般传导的产生有两个主要的点 200k和20m左右 这几个点也体现了电路的性能 200k左右主要是漏感产生的尖刺 20m左右主要是电路开关的噪声 处理不好变压器会增加大量的辐射 加屏蔽都没用 辐射过不了 12 将输入buck电容改为低内阻的电容 13 对于无y cap电源 绕制变压器时先绕初级 再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边 后绕次级 14 将共模电感上并联一个几 到几十 电阻 15 将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地 16 在pcb设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰 17 保险套磁珠 18 三线输入的将两根进线接地的y电容容量从2 2nf减小到471 开关电源emi的特点及对策 传导部分1mhz以内以差模干扰为主19 对于有两级滤波的可将后级0 22ufx电容去掉 有时前后x电容会引起震荡 20 对于 型滤波电路有一个buck电容躺倒放在pcb上且靠近变压器此电容对传导150khz 2mhz的 通道有干扰 改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地 或者用一块小的pcb将此电容与变压器和pcb隔开 或者将此电容立起来 也可以用一个小电容代替 21 对于 型滤波电路有一个buck电容躺倒放在pcb上且靠近变压器此电容对传导150khz 2mhz的 通道有干扰 改良方法是将此电容用一个1uf 400v或者说0 1uf 400v电容代替 将另外一个电容加大 22 将共模电感前加一个小的几百uh差模电感 23 将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来 并且铜箔两端短接在一起 再用一根铜线连接到地 24 将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地 25 将开关管用金属套起来连接到地 开关电源emi的特点及对策 传导部分1mhz以内以差模干扰为主26 加大x2电容只能解决150k左右的频段 不能解决20m以上的频段 只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环 电感量约50uh 1mh 27 在输入端加大x电容 28 加大输入端共模电感 29 将辅助绕组供电二极管反接到地 30 将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量 31 加大输入端滤波电容 32 150khz 300khz和20mhz 30mhz这两处传导都不过 可在共模电路前加一个差模电路 也可以看看接地是否有问题 该接地的地方一定要加强接牢 主板上的地线一定要理顺 不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的 33 在整流桥上并电容 当考虑共模成分时 应该邻角并电容 当考虑差模成分时 应该对角并电容 34 加大输入端差模电感 开关电源emi的特点及对策 传导部分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 4 对于有y电容的电源 干扰在1m以前以差模为主 2 5m是差模和共模干扰 对于no y来说 情况不一样 1m以前的共模也非常厉害 在前面加很多x电容 滤光差模 改不改变压器对差模没有影响了 如果还有变化 就是共模了 差共模分离的方法 在ac输入端加很多x电容 从小到大 这样可以把差模滤去 剩下的就是共模了 再与总的噪音相比较 就能看出差模的大小 5 绕制变压器时将所有同名端放在一边 可降低1 0mhz 5 0mhz传导干扰 6 对于小功率用两个差模电感 减少差模电感匝数可降低传导1 2mhz干扰 7 加大y电容 可降低传导中段1mhz 5mhz干扰 8 对于无 电容的开关电源emi在1mhz 6mhz超标 如加了 电容后emi降下来了的话 就可在变压器初次级间加多几层胶纸 9 将mos管散热片接mos管s极 10 在输入端滤波电容上并联小容量高压瓷片或者高压贴片电容 开关电源emi的特点及对策 传导部分5m 20mhz以共摸干扰为主 采用抑制共摸的方法 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 2 可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔 铜箔要闭环 3 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 4 在变压器初级绕组上用一根很细的三重绝缘线并绕一个屏蔽绕组 屏蔽绕组的一端接电源端另外一端通过一个电容接到地 5 可将共模电感改为一边匝数比另一边多一匝 另其有差模的作用 6 将开关管d极加一小散热片且必需接高压端的负极 变压器的初级起始端连接到mos管d极 7 将次级的散热片用一个102的y电容接到初级的l n线 可降低传导干扰 8 如果加大 电容传导干扰下来了 则可以改变变压器绕法来改良 可在初次级间加多几层胶带 如果加大 电容传导干扰未改善 就要改电路可改好不必改变压器绕法 9 将变压器电感量适当加大 可降低rcc开关电源在半载时的传导干扰 开关电源emi的特点及对策 传导部分5m 20mhz以共摸干扰为主 采用抑制共摸的方法 10 用变压器次级辅助绕组来屏蔽初级主绕组 比用变压器初级辅助绕组来屏蔽初级主绕组 传导整体要好得多 11 传导整体超标 用示波器看开关管g和d极波形都有重叠的现象 将光藕供电电阻从输出滤波共模电感下穿过接输出正极改接不从大电流下穿过后一切ok 12 在输入端l线和n线各接一681 250v的y电容 y电容另外一端接次级地 13 将次级的辅助绕组用来屏蔽初级主绕组 可降低传导3 15mhz干扰 用次级的辅助绕组来屏蔽初级主绕组 比用初级的辅助绕组来屏蔽初级主绕组传导要好得多 14 在pcb板底层放一层铜片接初级大电容负极 15 将整个电源用一块铜片包起来 铜片接初级大电容负极 16 减小y电容容量 开关电源emi的特点及对策 传导部分对于20 30mhz1 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之间加磁珠 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 开关电源emi的特点及对策 传导部分对于20 30mhz10 可能是电子负载引起的 可改用电阻负载 11 可将mos管d端对地接一个101的电容 12 可将输出整流二极管换一个积电容小