開關(guān)電源EMC知識總結(jié)

EMC的重要性

早在上個世紀八十年代初，美國新澤西州一家醫(yī)院產(chǎn)科病房區(qū)的嬰兒死亡率相當(dāng)高。深夜，監(jiān)視嬰兒的監(jiān)視器上的警示燈總是無緣無故地熄滅。對此，護士們很惱火，于是她們將監(jiān)視器關(guān)閉，來回逐一巡視。

經(jīng)過一番初步調(diào)查后，教授查明了這件事情的真相，原來附近一電視臺的發(fā)射機得到美國通信委員會的許可，在大約午夜后可將其輸出功率提高得相當(dāng)高，但必須在早上六點前，或其它指定的時間，恢復(fù)到原來的水平。護士站與每個嬰兒的監(jiān)視器間的連接電纜在這些干擾頻率處發(fā)生諧振，感應(yīng)的電壓而使監(jiān)視器警示燈熄滅。醫(yī)院在發(fā)現(xiàn)這個問題之前，已有差不多六名小孩死亡。

再有一個例子： 有這樣的一個客戶投訴反應(yīng)，當(dāng)在機房內(nèi)開啟一臺開關(guān)電源時，該公司的100M速度的局域網(wǎng)出現(xiàn)速度下降并停止的現(xiàn)象，而10M速度的網(wǎng)絡(luò)卻沒有受影響。關(guān)掉電源，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。

后經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，該開關(guān)電源的高頻干擾信號藕合到網(wǎng)絡(luò)線上，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。

EMC 發(fā)展的歷史：EMC 其實是伴隨著近代電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展而誕生的。到上個世紀末，隨著電子、電氣設(shè)備的急劇增加。EMC 已經(jīng)擴展到眾多的領(lǐng)域，可以毫不夸張的說：哪里有電子產(chǎn)品，哪里就有EMC問題。西方國家對此的要求也越來越苛刻，EMC 已成為發(fā)展中國家電子產(chǎn)品進入西方市場的貿(mào)易壁壘之一。

對企業(yè)來講，不同的EMC設(shè)計概念，會導(dǎo)致不同的成本和時間上的浪費。

EMC的內(nèi)容

●基本概念：

★EMC(電磁兼容性)：Electromagnetic Compatibility

★EMI(電磁干擾):Electromagnetic Interference

★EMS(電磁抗擾性)：ElectromagneticSusceptibility

★ESD(靜電)：Electrostatic Discharges

★RS(輻射抗干擾)：Radiated Susceptibility

★EFT(電快速瞬變脈沖群)：Electronic fast transients

★SURGE(雷擊浪涌)

★CS(傳導(dǎo)抗干擾)：Conducted Susceptibility

●EMC =EMI +EMS

★EMI = Conduction( Harmonic) +Radiation

★EMI 三要素：下為系統(tǒng)級的，請大家想想PCB級的。

開關(guān)電源 EMI 探討

●EMI 產(chǎn)生的根源：

★第一、開關(guān)電源的最大缺點是因切換動作(TURN-ON或TURN OFF)產(chǎn)生雜訊電壓為其雜訊源。因切換動作的波形為方波，而方波含有很多高次諧波。( dv/dt)

★第二、由于開關(guān)電晶體的非線性及二極體的反向恢復(fù)特性，電流作快速的非線性變化引起雜訊。(di/dt)

●EMI的傳播方式和途徑：

★EMI干擾信號按其特性可分為共模信號(COMMON MODE)和差模信號(DIFFERENTIAL MODE)。

★共模信號：干擾信號電流的在兩條回路的導(dǎo)線上的電流方向相對大地是相同的信號，稱為共模信號，見下左圖;

★差模信號：干擾信號電流的在兩條回路的導(dǎo)線上的電流方向相對大地是相反的信號，稱為差模信號，見下右圖。

●常用低通濾波結(jié)構(gòu)的劃分

●電源輸入濾波器的設(shè)計：

★共模差模分開設(shè)計(以π型為例)

★濾波器共模部分設(shè)計

★濾波器差模部分設(shè)計

●濾波器的安裝：

●共模電感的繞制

共模扼流圈中的負載電流產(chǎn)生的磁場相互抵銷，因此磁芯不會飽和。

●磁珠阻抗

注意：共模電感和磁珠 需要測量溫升!!

拓撲EMI 分析舉例

Flyback 架構(gòu)EMI 分析

●Flyback架構(gòu)的高頻等效模型

●Noise 源：

大的di/dt和dv/dt 產(chǎn)生的地方，對Flyback架構(gòu)來說，會產(chǎn)生這些變化的主要有：

★變壓器TX1;

★MOSFET Q1 ;

★輸出二極管D1;

★芯片的RC振蕩;

★驅(qū)動信號線;

Q1 上 Vds 的波形

MOSFET 動作時產(chǎn)生的Noise ：如 上圖所示，主要來自三個方面：

①Mosfet開通、關(guān)斷時，具有很寬的頻譜含量，開關(guān)頻率的諧波本身就是較強的干擾源。

②關(guān)斷時的振蕩 1產(chǎn)生較強的干擾。

③關(guān)斷時的振蕩 2產(chǎn)生較強的干擾。

開關(guān)管 Q1關(guān)斷，副邊二極管D1導(dǎo)通時(帶載)，原邊的勵磁電感被鉗制，原邊漏感Lep的能量通過Q1的寄生電容Cds進行放電，主放電回路為Lep—Cds—Rs—C1—Lep，此時產(chǎn)生振蕩振蕩的頻率為：

在Lep上的振蕩電壓Vlep迭加在2Vc1上，致使Vds=2Vc1+Vlep 。振蕩的強弱，將決定我們選取的管子的耐壓值、電路的穩(wěn)定性。

量測Lep=6.1uH, Q1為2611查規(guī)格書可得Coss=190pF(Coss近似等于Cds),而此充電板為兩個管子并聯(lián)，所以Cds=380pF 。由上式可求得f =3.3 MHz，和下圖中的振蕩頻率吻合。

從圖中可看出 此振蕩是一衰減的振蕩波，其初始的振蕩峰值決定于振蕩電路的Q值：Q值越大，峰值就越大。Q值小，則峰值小。為了減小峰值，可減小變壓器的漏感Lep,加大Cds和電路的阻抗R。而加入Snubber電路是 極有效之方法。

振蕩2發(fā)生在Mosfet Q1關(guān)斷，副邊二極管由通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，原邊勵磁電感被釋放(這時Cds被充至2Vc1)，Cds和原邊線圈的雜散電容Clp為并聯(lián)狀態(tài)，再和原邊電感Lp(勵磁電感和漏感之和)發(fā)生振蕩。放電回路同振蕩1。振蕩頻率為：

在Lp上的振蕩電壓Vlp迭加在Vc1上，致使Vds=Vc1+Vlp 。量測Lp=0.4mH;Q1為2611，查規(guī)格書可得Coss=190pF(Coss近似等于Cds),而此充電板為兩個管子并聯(lián)，所以Cds=380pF;Clp在200KHz時測得為Clp=1.6nF。由上式可求得：f =178.6KHz，和下圖中190.5K吻合。

●我們可實行的改善措施有兩個：

★1、減小Noise的大小;

★2、切斷或改善傳播途徑。

1.減小Noise 的大?。?/p>

首先考慮以下三個方面：

①Mosfet、Diode動作時，具有很寬的頻譜含量，開關(guān)頻率的諧波本身就是較強的干擾源。

措施：在滿足所要求的效率、溫升條件下，我們可盡量選開關(guān)較平緩的管子。而通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻也可達到這一目的。

②Q1、D1 的振蕩 1會產(chǎn)生較強的干擾。

措施：

*對寄生電容Cds、Cj 的處理：在Q1的ds極、二極管的兩端各并上一681小電容，來降低電路的Q 值，從而降低振蕩的振幅A，同時能降低振蕩頻率f。需注意的是：此電容的能量1/2Cu2將全部消耗在Q1上，所以管子溫升是個問題。解決的辦法是使用RC snubber, 讓能量 消耗在 R上。同時R能起到減小振幅的作用。

*對變壓器的漏感Le的處理：

1、變壓器采用 三明治 繞法，以減小漏感。

2、在變壓器的繞組上加吸收電路。

3、減小Q1 D極到變壓器的引線長度。(此引線電感和漏感相迭加)采取上述 措施降低振蕩 1的影響之后得下圖。

③：Q1 D1 上的振蕩 2 會產(chǎn)生較強干擾。

分析方法和②相同，但此時 電感已變得很大了(主要為為勵磁電感)，因此漏感和引線電感對③的影響相對較小。

同樣從上面的分析中，可看出Nosie 的傳播途徑主要是通過變壓器的雜散電容Ctx;

Mosfet/Diode到散熱片的雜散電容Cm/Cd;及散熱片到地的雜散電容Ce等途徑而耦合到LISN被取樣電阻所俘獲。

措施一：在Rs的地端和C2的地間接一個Y電容(472)。

原理分析：它的作用是雙重的，一是為Mosfet動作產(chǎn)生且串到變壓器副邊的noise 電流(如I4),提供一個低阻抗的回路，減小到地的電流。二是為二次側(cè)Diode產(chǎn)生的且串到變壓器原邊的noise 電流提供低阻抗回路，從而減小流過LISN的電流。

其效果如下圖：紅色為：未改善之前;藍色為：采取措施之后

措施二：變壓器加法拉第銅環(huán)：

變壓器是Noise傳播的主要通道之一，其中初級線圈和次級線圈間雜散電容Ctx是重要因素。而在變壓器內(nèi)部加法拉第銅環(huán)是減小Ctx 的有效的方法之一。

措施三：散熱片接Rs的地端：

目的為了將 散熱片-Ce—地-LISN這一支路 旁路掉，從而減小到地的電流。其效果如下圖：可看出，在低頻時較有效;在高頻時， 效果不明顯，這主要是因為在高頻時，管腳直接對地的電容已有相當(dāng)?shù)淖饔谩?/p>

紅色為：散熱片未接地;藍色為：散熱片接地

當(dāng)綜合上述所有措施后，EMI總效果對比如圖所示：

紅色為：未采取措施前;藍色為：綜合上述措施后

國際認證體系簡介

●歐洲地區(qū) :

認證EMC MarkEMC

Standard分為EMI (電磁干擾測試) & EMS (電磁相容測試) 兩部分：

★1. EMI部分為 EN55022, EN61000-3-2, EN61000-3-3;

★2. EMS部分為 EN55024 內(nèi)含7項測試:

EN55022為Radiation Test & Conduction Test (傳導(dǎo) & 幅射測試);

EN61000-3-2為Harmonic Test (電源諧波測試);

EN61000-3-3為Flicker Test (電壓變動測試)

EN61000-4-2為ESD Test (靜電測試);

EN61000-4-3為RS Test EN61000-4-4為EFT Test (電子快速脈衝測試);

EN61000-4-5為Surge Test (雷擊測試)

EN61000-4-6為CS Test (傳導(dǎo)耐受度測試);

EN61000-4-8為PFMF Test EN61000-4-11為DIP Test (電壓突降測試)

●美洲地區(qū):

認證EEMI Mark FCC (強制性)

Standard FCC Part 15 (EMI 電磁干擾測試)

申請方式

1. Class A 自我認証

2. Class B DOC 自我認証方式

3. Class B 經(jīng)由TCB認証, 取得FCC ID Number

<注> 以前ITE產(chǎn)品可直接送FCC認証, 取得FCC ID, 但自2000/11/15起FCC已不再認証, 授權(quán)由TCB 發(fā)ID Number, 而TCB只接受美國當(dāng)?shù)貙嶒炇宜桶讣? 用意在鼓勵其他地區(qū)以DOC方式認証.

<注> 所謂自我認証, 即經(jīng)由合格實驗室測試完成后發(fā)行Test Report, 申請公司取得報告后于宣告信簽名即可.

原文標(biāo)題：知識總結(jié)：開關(guān)電源EMC知識經(jīng)驗超級總匯![20220415]

文章出處：【微信公眾號：電磁兼容EMC】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅