核心开关电源EMC设计实用技术

,李义（nc965）2017年重庆,开关电源EMC设计实用技术,电磁兼容EMC,有人总结,设备内部干扰,设备之间干扰,辐射,通过电网,传导谐波,通过空间,通过传输线,外部干扰.,EMC是啥？,EMC难在哪？,因素复杂,不易掌控,说法各异,难觅规律,抓狂,问题的提出,各种EMC有效信号，根源是开关动作波形；开关电源就是骚扰源,不靠谱,三要素：骚扰源、路径、敏感设备,三规律：费效、环路电流、频率,今天咱说点实在的,三大原理：电磁场、能量守恒、电路,三大要素：信号、结构、地,基本观念,地是一种有利结构，也叫背景、黑体、参照系、基准地是最重要的EMC基础结构，谈论EMC一切从地谈起,EMC对结构敏感，路径、位置、尺度、屏蔽体、热点、振子信号是通过不利结构才显现为EMC问题的，信号+不利结构=激励源,信号,结构,地,开关电源EMC设计实用技术,地,大地,电网,开关电源与电网或暗房的连接处,L、N、PE端子都是地，它就在PCB板上，触手可及,哪是地？,地球人的基本共识,大面积接地、无限大容量、无限低阻抗电网是个无限大接地体，上电即为接地,EMC测试装备,暗房=EMC黑体，接地做到极致,配电,负载,开关电源,1、开关电源（及其负载）是个辐射体,2、除了开关电源（及其负载)）以外的任何地方不能是辐射体,3、在开关电源与测试系统的连接处，开关电源一侧才能是辐射体，系统一侧不能是辐射体,4、因此连接点辐射强度必须归零【黑体】,5、如果有两个电气连接点，这两个点都必须归零，三个也一样，而且没有重点，没有区别，没有例外,6、连接点就是两个系统的边界，零与非零的分界点，临界点，基准点，参考点，参照点。叫什么都是一个意思：这就是地！,7、如果有两个连接点，两个都是地，三个也一样，而且没有重点，没有区别，没有例外,8、上述所有端子之间阻抗为零,9、如果其中任意一个端子对另一个参照系（比如大地）阻抗为零，则所有端子对这个参照系阻抗为零,暗房,辐射能量向远端聚集,当你想解决EMC问题时，输入端子就是地【EMC地】你把输入端子看成是能量输入端口时，它也可以是地,连接线由暗房操心，室内布线由配电操心，你不必操心,标准：暗房是一杆秤,秤白菜用的,它不是标准,砝码才是,理论层面：如果一种EMC理论不涉及地，就是重大缺失,拓扑层面：如果缺乏地这个基本连接和信号，EMC拓扑结构不能建立，无法上升到系统阐述和设计的高度,信号层面：地就在PCB板上，是一切EMC信号的基准,开关电源输入端子就是地,而不是其他任何地方,结论,开关电源EMC设计实用技术,信号、结构,基本信号,不利结构,脉冲电流环路包围面积,环路中的地的连接结构,热点（浮地）分布,元器件的EMC结构,各环路之间的耦合结构,热点与近地,远地,大地的耦合,偶极子结构,各种屏蔽结构,输入线结构,热点对其他热点,副边,敏感端子,浮体的耦合,脉冲电流信号,6个:2个拓扑,各2个;副边2个,正反向各1个（环路包围面积最小化处理）,热点电压信号,原边2个热点；副边1个（分布范围最小化处理，近地屏蔽）,频率信号（频率、波形）,磁场信号（漏磁）,电场信号（静电）,传输线结构,负载结构,几何结构,最不利结构是输出端子，在几何上电气上最远离地,外部信号（EMS）,电路的EMC结构,接地结构,开关电源EMC设计实用技术,EMC激励源,脉冲电压(热点),因素,开关电源,Cout偶极子,脉冲电流回路,差模电流,漏磁,负载,振子,信号,结构,接地,屏蔽,影响方式,寄生参数,吸收缓冲,工艺,布局,机壳,敷铜,隔离,最短路径连接,激励源,最小噪音连接,等电位连接,负载,副边,变压器,原边,配电,大地,位置,输入端子,输出端子,布线,拓扑电路,开关电源EMC设计实用技术,理论依据,空间任意一点的电场变化与其垂直方向上的磁场变化相对应,开关电源共模电流等效辐射模型,磁场作用与电场作用等效,信号、激励源、天线等效,开关电源伪鞭状天线模型与其共模电流辐射模型等效,1,2,3,多数开关电源的尺度远远小于EMC辐射波长的1/4:30030MHz对应0.252.5m在天线长度不足的情况下辐射能量向天线末端集聚,输入端子接地是关键特征所有的EMC辐射，都是相对于地而存在,1,2,3,共模电流与辐射等效,麦克斯韦方程,引申,开关电源与天线等效,4,得到,结论,麦克斯韦方程,安培环路定理,地的传递,开关电源EMC设计实用技术,接地,EMC接地,大地,输入端子,共模电感按单元传递,连接,硅桥,电容传递,副边、输出端子、负载,最小阻抗连接,最小噪音连接,等电位连接,接地阻抗,接地噪音,接地电位,EMC接地的设计的目标是使每种EMC信号具有明确接地回路通过接地来构成最有利的EMC结构，规避不利的EMC结构,对于EMC辐射干扰：EMC设计最有效的措施是输出端子接地使输出端子对地呈等电位体，从而使输出端以远的辐射为零这相当于从电气上屏蔽了开关电源这个辐射体,电路层面,结构层面,地线连接结构和布局地向远端传递的结构拓扑接地和控制接地,各类屏蔽接地机壳接地散热器接地,连接层面,以天线的视角观察接地效果,脉冲电流回路包围面积最小化是开关电源布局设计的首要线索，是开关电源工程师必须掌握的基本概念和技能,回路包围面积最小化,1、拓扑电流回路It，流过典型拓扑电流，是开关电源拓扑成立的前提2、脉冲电流回路Ip，流过拓扑续流电流或者二极管反向恢复电流，可能包含较多的毛刺和噪音能量,脉冲电流在回路中一段地线上的表现对系统接地的影响其磁场电场对其他EMC结构的不良耦合滤波残留信号及其偶极子能量的后续影响,回路包围面积包含空间和方向的概念，不局限为平面回路中的电容可以用并联的方式就近增加一个以形成更小的回路贴片工艺、模块工艺等高密度工艺可以达成更小的回路,由于每个脉冲电流回路的信号不同、方向不同、最小化的程度不同因而效果不同，最终导致EMC干扰频谱的各种起伏再加上由于其影响和扩散的信号在其他EMC结构上的可能表现，使我们有可能大致解读EMC干扰频谱,开关电源EMC设计实用技术,激励源脉冲电流回路,一个不少找出所有脉冲电流回路处理末端优先、脉冲电流回路优先回路阻抗、电流应力、器件工况评估热点面积及其不利耦合评估接地阻抗及其噪音电平评估泄漏信号影响评估,一个脉冲电流环路结构为主（磁场作用）它包含1个热点结构（电场作用）还包含1个滤波结构及其偶极子结构（信号影响）还可能包含12段接地阻抗结构（接地电位差影响）一个拓扑的两个脉冲电流回路有部分重叠两个回路可能共地或不共地,对策,技巧,影响,脉冲电流回路是开关电源最强劲的电流回路，含有最丰富的EMC有效信号，是开关电源EMC干扰的源泉，其余EMC干扰信号都可以理解为这个回路信号的泄漏或者扩散的结果,泄漏信号影响,脉冲电流回路划分,结构特征,脉冲电压即脉冲电流回路里的热点信号，它的特征是要保证拓扑成立而不能接地。脉冲电压并不能单独成为一种EMC激励源，除非有天线或者电容耦合根据其耦合的影响方式可分为两类：,开关电源EMC设计实用技术,激励源热点（脉冲电压）,这是由于热点面积过大或者热点对地等效电容过大引的感应电流对地形成的不同耦合回路对应不同的激励源：,这是由于热点对面积较大且对地阻抗较高的被耦合体的耦合在被耦合体上形成的电压这是一个电场类激励源，其基本特征是被耦合体面积较大且不能或不方便接地,一、可归结为电容耦合作用的感应电流,二、可归结为电容耦合作用的感应电压,对策1、热点面积最小化,与其增加近地耦合来抑制远地耦合，不如实现近地屏蔽,对策2、避免远地耦合,1、连同负载在内的整个变压器副边2、控制芯片的高阻抗输入端子3、浮体（没有接地的金属体）,被耦合体,1、与近地形成的耦合是一个磁场类激励源，与增加Cds等效，或恶化拓扑工况2、对输入端子、外壳或者其他远地点形成的耦合是一个磁场类激励源，还可能是一个传导信号激励源3、与大地形成的耦合就是共模电流（辐射）4、对另一个热点的耦合是一个磁场类激励源,Q2驱动地为浮地,是热点,变压器原边是热点,散热工或成为热点,C3两端的连接为近地,增加滤波电容量不能显著降低EMC应力,滤波作用失效越是高压输出其偶极子效应越明显，Cz连接越有效,滤波残留信号vo自身能量表达式:,开关电源EMC设计实用技术,激励源Cout偶极子,信号模型,开关电源中的大容量滤波电容，在完成滤波任务和对地的传递任务后，会对残存的EMC信号形成偶极子效应。多数情况下，EMC偶极子携带的能量相对较小，只有在输出端子上的Cout偶极子由于其处于系统最末端才有显著的EMC表现,用Cz连接让Cout偶极子与其它偶极子发生耦合，消除其偶极矩,寄生在输出电压上以后的能量表达式:,二者之比:,噪音能量被显著放大越微弱的信号越是被更显著放大,偶极子,输出电容Cout上的信号包括：1、体现拓扑变换的输出电压Vout2、体现滤波效果的PWM同频纹波电压3、EMC频段内的滤波残留噪音电平vo,EMC特性,对策,无效的原因：没有与其他偶极子发生耦合,对称结构：用两个Cz连接隔离结构：两只Cz电容均需满足Y电容安规规范,仅其中一个Cz连接有效,S,N,S,N,S,N,S,N,S,N,=,=,S,N,=,相同偶极子并联还是原来的偶极子(并联电容失效)消除偶极子的唯一办法是与其他偶极子发生耦合,偶极子算法,等效的连接,可能不等效的连接,空间耦合特性，射频特性成因复杂，矢量叠加特性,共模电流是流经共模回流路径的电流，等效为开关电源的辐射信号,差模电流是离端口最近那个脉冲电流回路泄漏的信号经差模滤波泄漏的信号,开关电源EMC设计实用技术,信号模型共模电流、差模电流,共模电流信号模型,差模电流信号模型,特性,传输耦合特性，传输线是一种结构，或再耦合、或被耦合，标量特性,特性,比共模滤波显著有效，概念清晰，易于实施虽与共模滤波概念相反，但不冲突，可兼容,共模电感制造结构使其阻抗（不能太高）和带宽（有效性）受到限制,共模滤波的工艺（复杂）、成本（较高）、可靠性（安规）、效率（损耗）是突出问题,开关电源EMC设计实用技术,信号模型共模滤波、EMC接地,共模滤波信号模型,EMC接地信号模型,EMC接地是一种疏导措施，本质上是减少干扰源与地之间的阻抗，越小越好，最好为零，也就是短路，也叫“接地”可理解为把辐射天线接地，让它不能辐射,共模滤波是一种堵截措施，本质上是增加干扰源与地之间的阻抗，越大越好，最好无限大当共模电感等效阻抗增加到超过共模回流路径等效阻抗时，方可显著减少共模电流，达到削弱辐射的目的,特点,特点,辐射不要依靠共模滤波，要尽量做好EMC接地的各项措施，共模滤波是最后的选项、少用或不用,结论,1、先整体后局部，在整体优化的基础上解读2、各种波形研判，示波器背景噪音或可对应3、用临时手段调整各EMC结构，研判其影响,开关电源EMC设计实用技术,信号模型辐射、传导、频谱,辐射信号模型,传导信号模型,辐射信号与共模电流等效,频谱信号模型,其他外部空间耦合信号也可归结于共模电流，也与辐射等效近场辐射、漏磁、差模电流环路，甚至绝缘漏电、人体感应,传导干扰是通过传输线回路的电流信号形成干扰传导信号可归结为差模电流与共模电流的信号叠加,1，差模电流应力2、共模电流应力3、叠加应力4、应力平衡机制,开关电源EMC测试频谱是所有EMC设计成果的最终体现频谱的每个起伏都与特定的信号和特定的EMC结构相对应频谱信号是矢量和，显示为叠加信号不排除外部干扰因素，不排除检测失准因素,终极问题：某段信号超标，是何故？何以处之？,任何信号总是有来路的，理论上可以解读任何一个信号可能是多个信号的叠加，或与多种结构作用的结果，或不易解读,可解读性,解读,不要指望可以任意降低频谱信号幅度，够用即可可以怀疑负载、怀疑设备甚至天气，交叉验证,提示,传导应力,开关电源EMC设计实用技术,EMC设计要点两线制非隔离系统,典型电路,最佳布局,措施1把输入的一个端子通过硅桥直接连接到输出的一个端子（这里是NV-），中间不要接入任何元件,措施2输出电容Cout的两个端子都是地，与包括拓扑在内的输出环路(It、Io1)形成最短路径连接,措施3硅桥后的第一个接地回路（Ii2）单独走线连接到输出集中接地点,措施4输入的其他回路（Ii3、Ip）分别单独走线连接到输出集中接地点，不要连在一起后再去接地,措施5用电容Cz将V+与D+(orC4+)短路,消除Cout偶极子,设计目标：输出端子尽可能接地,最小噪音连接,脉冲电流回路最小化,等电位连接,最低阻抗连接,最小噪音连接,最小噪音连接,辐射：允许输出端子接地，一般无需共模滤波。末端回路最小化、桥后单独（最小噪音）连接以及Cz连接是关键技术措施传导：无外壳屏蔽，传导高频端应力较大，应采取措施尽量避免远地耦合,小结：,集中接地,单独走线,Cout,特点：,Cz连接,输入端在电气上几乎可以直接连接到输出端（NV-）连接途中可能叠加各路噪音，使输出产生较高噪音电平,开关电源EMC设计实用技术,EMC设计要点波形控制,最原始的EMC信号来自各种电流电压波形,电路寄生参数、不利耦合，元器件EMC特性的影响不容忽视,电流毛刺消失,电压毛刺消失,此计无效,电压毛刺,振铃,电流毛刺,（反激变换器）漏感与噪音信号成正比，重点控制,电压尖峰、毛刺、振铃，多半是与器件结电容相关的谐振，优选器件和工况，必要时吸收,电流尖峰、毛刺、振铃，多半是与二极管反向恢复电流相关的谐振，优选器件和工况，必要时缓冲,拓扑因素对波形有决定性的作用，优先考虑,驱动信号的(dv/dt)控制是波形控制最有效的手段之一,影响波形的因素,不适当的缓冲、吸收、并DS电容等牺牲效率的措施,误区,波形控制总的原则是首先确保拓扑能量转移意图的完美实现，在此前提下，开关尽量软一点，谐波成分尽量少一点，不可避免的过渡波形的EMC有效成分尽量少一点，可以避免的毛刺或来路不明的波形要尽量避免,波形控制原则,成功案例,由开关动作实现的各种电压电流过程（波形）是开关电源拓扑成立的前提，也是其EMC干扰的总根源这些由示波器就可直接观察到波形多半会与理论波形有一定差距，其中对EMC有重要影响的往往是这些波形的某些细节，有的波形或者其谐波还能与EMC干扰频谱的尖峰凸起有直接对应关系,与PWM驱动信号同频的信号及其谐波PFC模式使差模滤波应力进一步加剧,开关电源EMC设计实用技术,两线制隔离系统存在较多不利结构EMC设计重点是变压器隔离屏蔽和布局，竭尽所能最大限度降低输出端噪音电平最后考查共模滤波的必要性,变压器布局频率控制噪音及不利耦合控制,3个脉冲电流回路最小化布局高PF模式差模于桥前有利Y电容接地、Cz连接或有效驱动控制布局满足三圈两地尽量利用PCB敷铜做接地屏蔽,EMC设计要点两线制隔离系统,典型电路是反激,电路最佳布局（反激）,变压器隔离输出无法连接到输入无PE线接入无金属外壳屏蔽负载成为辐射体,EMC特性,布局要点,设计要点,小结：,变压器绕组间寄生电容引起原边高频热点脉冲电压信号对副边的强劲耦合,首要辐射激励源,首要传导激励源,共模滤波不是必须的,桥前桥后电容的适当配合，可协调PF、THD、效率、差模滤波之间的最佳关系,原边两个脉冲电流回路之最佳关系,变压器隔离屏蔽接地,输出端子相关结构,开关电源EMC设计实用技术,隔离屏蔽结构、磁屏蔽、接地漏感最小化设计:整层三明治匝比气隙Bm频率匹配、应力匹配,EMC设计要点变压器,设计要点,用原边绕组冷端代替铜箔屏蔽,电压梯度匹配实现等电位连接,方法：与副边进出线相邻的总是原边的冷端或者：与副边的冷端相邻的总是原边的冷端,无Y,磁芯是导体,变压器EMC结构,绕组结构：整层结构、三明治结构为漏感约束原边副边电气隔离EMC接地屏蔽结构是重点变压器磁屏蔽、电气屏蔽漏磁结构与磁芯型号相关,原边冷端已EMC接地变压器绕组电压只与匝数相关构造临近绕组几何对称电压梯度,可获得等电位耦合特性,绕组间耦合电流为零,且与耦合度、寄生电容、阻抗、负载无关,原理,实现：输出端子与地等电位连接,EMC接地,开关电源电流分布,开关电源EMC设计实用技术,EMC设计要点三圈两地,脉冲电流Ip回路最小化（第一个圈)）找到高频脉冲电流Ip回路，在布局上让它最小化（连线最短、面积最小）连接后，ND两个地会合并在一起形成一个点，这个点就是整个电路的接地中心,控制接地中心gnd（一点接地）gnd即驱动电路的滤波电容Cg的接地端，它可能与拓扑接地中心GND拉开距离。所有弱电单元的地线应在此一点接地，再连接到GND。为什么要这样接？原因是：首先，其中辅助电源的电流Iv是最大的，而且跟Ig刚好反向（它是Cg的输入电流），如果其接地点不连接到gnd，比如接到GND，势必会在GND-gnd连线上形成Iv电流回路，使Ig叠加上Iv，导致驱动电流波形畸变，即：驱动被供电干扰。基于这个原因，驱动电路的滤波电容Cg的VCC端的输入输出连接也需要分开走线。其他电路单元的电流一般很弱，如果连接到其他地方，则会使GND-gnd连线上较强劲的Ig脉冲电流叠加到自己的地线上，即：控制被驱动干扰同理，其他各个电路的地线，无论多么绕，均应分别走线到gnd一点接地，否则，除了可能因上述Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv等强电流窜进自己的地线形成干扰外，还可能通过共用地线相互干扰,驱动电流Ig回路最小化（第三个圈）这个电流环路应包含驱动电路的Vcc滤波电容Cg通道在内，因为驱动电流本质上就是该滤波电容Cg的输出电流这个滤波电容Cg必须贴近驱动IC的供电端子布置，这是因为驱动IC内部的电路和信号可能非常复杂和敏感，完全要仰仗这个电容来撑住这样布置下来后，一般会形成Rg连线和GND-gnd两条连线，两条连线在环路电流Ig上是等效的。这意味着改变其中任意一条连线上的电流波形，都将改变驱动电流波形，使其不再纯粹。这还意味着GND-gnd可能会拉开距离，这就形成了第二个接地中心gnd,拓扑电流It回路最小化（第二个圈）找到拓扑电流It回路，让它最小化It回路与Ip回路有部分重叠对于隔离拓扑，It回路被变压器分隔成原边和付边两部分，应分开最小化布置如果It回路有个接地点，那么这个接地点应与上述接地中心重合条件受限时，上述2个回路的电容可能不能共地，可以电气并联的方式就近增加一个电容达成共地,拓扑接地中心根据以上布局，图上G、N、D三个点已经最大程度的合并成一个点了，这就是拓扑接地中心GND,目的：Ig电流回路正确和纯粹GNDgnd之间仅有Ig电流,开关电源EMC设计实用技术,EMC设计要点单相三线制隔离系统,变压器屏蔽接地技巧散热器接地区别两种类型机壳接地，直接和间接机壳做散热器的处理内部屏蔽远地耦合大面积敷铜技巧,所有脉冲电流回路最小化布局地线布局星形连接,无视前后级差模前孤立布局避免耦合,变压器隔离屏蔽仍是重点PE线接入便于辐射屏蔽远地耦合传导应力或加剧,EMC特性,布局要点,散热工接地方式机壳接地方式过流结构的影响,差模和Y电容对称布局适应PE宜用高频电容衔接拓扑而非电解脉冲电流回路最小化布局或无需吸收多级拓扑驱动控制VCC供电退耦结构,EMC接地要领,电路方面,结构方面,与其：旨在增加近地耦合的布局不如：旨在屏蔽远地耦合的布局近地屏蔽方法：由布线、元件、散热器组成的近地屏蔽，独立敷铜层屏蔽，机内屏蔽