影响开关电源EMI特性的磁件设计技术课件

1、影响开关电源EMI特性的磁件设计技术陈 为 博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事，专家委员会副主席磁技术专业委员会 主任委员2013.08.30主要内容 功率变换器的电磁干扰问题 磁元件对差模噪声的影响机理 降低和控制差模噪声的设计要点 (PFC) 磁元件对共模噪声的影响机理 降低和控制共模噪声的设计要点 (Flyback, LLC) 变压器共模噪声特性的测量评估 磁元件的近场干扰影响LISN功率变换器Filter共模噪声CM-CE近场耦合RE滤波器功率变换器电磁干扰问题负载电网差模噪声DM-CEEMI接收机RE接收天线阻抗稳定网络LISN作用： 提供50W标准阻抗

2、特性 滤除电网谐波干扰 采集传导CE噪声信号电源输入线负载输出线 开关频率提高噪音源基波和谐波频率提高 开关速度加快噪音源高频谐波分量增多 功率密度提高元器件之间近场耦合作用加强功率变换器电磁干扰问题的重要性 环境友好要求 EMI标准更严格AdapterEMI滤波器Rm1Lw1Rw1Cp1非均匀绕组有磁场扩散电感电磁干扰传输途径磁性元件杂散参数Rm2Lw2Rw2Cp2内部分布参数外部分布参数磁场泄露电场感应磁元件设计考虑要点结构设计电气设计损耗设计EMI设计杂散参数变压器中的电磁场分布与对应参数激磁磁通漏磁通ipisim原边电荷副边电荷原、副边电荷电场分布磁场分布涡流损耗磁芯损耗差模噪声LPF

3、C 阻抗特性Q+DLpfcLISNVdsLpfc差模EMI模型RmLwRwCpLtRtCtpVdsPFC电路输入电感器对差模噪声影响约12MHzLEPCCore01/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U1/2UCore1/4U1/4UU1/2U3/4U3/4U01/2UCore01/2U1/2U1/8U1/8U2/8U2/8U3/8U3/8U5/8U5/8U7/8U7/8UU6/8U6/8UEPC中等EPC最大EPC最小电感器绕组分布电容形成机理与影响因素Q+DLpfcVds变压器原副边耦合电容产生共模电流V(x)VpxLISNicmCpsVpLISNLNicmQps变压器副边的感应电荷是共

4、模噪声的重要来源降低共模耦合电容的考虑 增加原副边绕组间的距离 减少原副边绕组间的面积漏感增大, 体积增大绕组损耗增大 采用更完全的屏蔽增加空间, 成本和损耗 改变电位分布简单的方法改变绕组线端点位降低共模有效电容3-16-71-36-7端口1端口1端口3端口3EMIFilter1367端点1：电位变化端点端点3：电位固定端点有内部屏蔽铜箔变压器绕组电场分布有内部屏蔽铜箔V(x)VpxQpsLISNQshVpLISNLNicm Cps由于屏蔽层屏蔽作用，变压器副边感应的共模电荷大大减少Flyback电路变压器共模噪声抵消技术V(x)Vpx+Qps-QspLISN 当 Qps=Qsp时，变压器副

5、边的电荷将相互抵消为零VpLISNLNVp*Cps Cps CspVs 当 Vp*Cps=Vs*Csp 时，共模噪音电流将抵消为零Vs*Csp调整变压器共模有效电容的方法Caddxx外加电容改变屏蔽层面积PSUpxHot pointCps(x)Csp(x)PSCsp(d)d改变绝缘层厚度LrCrD1D2ABEFCsp2Csp1CoRoPECiQ2Q1CrPPS1S2屏蔽层r如果Csp1=Csp2，则副边电位变化引起的共模噪声抵消S1S2LLC电路副边噪声源影响噪声抵消技术P变压器共模耦合电容的测试方法 沿着绕组导体上的电压分布不均匀 原副边绕组之间有屏蔽CpsCab=Cps+CshsCab=C

6、ps+Cshp/Cshsabab网络分析仪/接收机等（两端口）outputinputCpsCpsIcmVLCR表/阻抗分析仪等（单端口）磁性元件近场耦合效应CM filterD2D chokeVo=48VTopo=PFC+PSFBfs(PFC stage)=89Kfs(D2D stage)=74KDC/DC 74kHz & its harmonics Aux-PS 65kHz & its harmonics PFC 89kHz & its harmonics 磁性元件近场耦合对EMI的影响共模电感输出滤波电感互感MCxLcmLCxx|Bx|By|B|环形电感产生的磁场近场辐射干扰磁场探头测量的

7、磁感应强度B分布电磁场仿真的B分布yxxyy开口方向共模电感对外部磁场干扰敏感度分析-+-+-+-Bx 是最敏感的感应磁场分量BxByBz+-xyz感应电动势E=0感应电动势E0感应电动势E较小|Bx|T-输出滤波电感CM共模电感具有最小干扰的相对位置开口方向开口方向影响近场耦合效应的因素分析 干扰元件与被干扰元件之间的距离 干扰元件与被干扰元件之间的相对位置/角度 被干扰元件的内部分布参数 - R,L & CR LCjwM*ii噪声电流被干扰元件U干扰电压干扰元件U干扰电压磁性元件由于体积大，其对地电场耦合较大。般采用法拉第电磁屏蔽技术优点：屏蔽电场缺点：屏蔽高频磁场，改变磁件磁性参数；由于涡流效应所产生的损耗较大。传统电磁屏蔽体会影响磁件的磁性参数，不适用于一些磁性参数有特殊用途的场合差模电感谐振电感电场屏蔽方式由若干根金属导线组成梳状或网状；在每根导体上各取一个点连接起来，且不构成电回路。梳状