開關(guān)電源EMC總匯EMC重要.ppt

,開關(guān)電源 EMC 總匯 * EMC 重要性 * EMC 的內(nèi)容 * 開關(guān)電源 EMI 探討 * 拓撲EMI 分析舉例 -以flyback為例 * 國際認證體系簡介 Santak R&D 劉鵬,EMC 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。,EMC 重要性,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 重要性,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。,電路 結(jié)構(gòu)封裝 屏蔽 濾波 軟件,成本,措施,概念 設(shè)計 產(chǎn)品 市場,階段,EMC 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)： Electromagnetic Susceptibility 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 的內(nèi)容,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）,T,1/d,1/Tr,諧波幅度 （電壓或電流）,頻率（對數(shù)）,-20dB/dec,-40dB/dec,A,d,Tr,開關(guān)電源 EMI 探討,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，見左下圖； 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，見右下圖。,開關(guān)電源 EMI 探討,常用低通濾波結(jié)構(gòu)的劃分 思考：對開關(guān)電源，采用哪種濾波器結(jié)構(gòu)會比較好？,C,T,L,反,開關(guān)電源 EMI 探討,電源輸入濾波器的設(shè)計： 共模差模分開設(shè)計（以型為例）,差模電容,共模電容,共模扼流圈,開關(guān)電源 EMI 探討,濾波器共模部分設(shè)計 思考：共模部分為什么不使用型濾波器？,開關(guān)電源 EMI 探討,濾波器差模部分設(shè)計,開關(guān)電源 EMI 探討,濾波器的安裝：,板上濾波器,無屏蔽的場合,濾波器靠近被濾波導(dǎo)線的靠近器件或線路板一端。,有屏蔽的場合：在屏蔽界面上,開關(guān)電源 EMI 探討,插入 Filter前后 Noise對比 藍色為插入 Filter前的 Noise 紫色為插入 Filter后的 Noise,開關(guān)電源 EMI 探討,共模電感的繞制 磁珠阻抗,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。,Z = jL + R,R,Z,L,1MHz 10MHz 100MHz 1000MHz,Common choke , Bead 需要測量溫升!,拓撲EMI 分析舉例,控制芯片,+12V,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,Cds：MOSFET的寄生等效電容， Cj：二極管的節(jié)電容Cj， Cm：Mosfet D極對散熱片雜散電容， Cd：輸出二極管負極對散熱片的雜散電容 Les：變壓器副邊對其他繞組的漏感， Lep：變壓器原邊對其他繞組的漏感 Ctx：變壓器原邊與副邊之間的雜散電容，Ce：散熱片對地的電容,Flyback架構(gòu)的高頻等效模型,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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；,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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： Mosfet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。 關(guān)斷時的振蕩 1產(chǎn)生較強的干擾。 關(guān)斷時的振蕩 2產(chǎn)生較強的干擾。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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LepCdsRsC1Lep，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，和右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。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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：,Q1 上 Vds,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，和右圖中190.5K吻合。,思考：此振蕩對輻射影響大嗎？,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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?。?首先考慮以下三個方面： Mosfet、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。,紅色：47歐姆的驅(qū)動電阻 蘭色：62歐姆的驅(qū)動電阻 可看出：在低頻段效果不明顯；而在高頻段（8MHz) ，62歐姆的驅(qū)動電阻明顯好于47歐姆的驅(qū)動電阻。 這是因為：62歐姆的驅(qū)動電阻將減緩驅(qū)動信號的上升/下降沿。這樣能限制信號的帶寬。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,Q1、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， 得右圖。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,： Q1 D1 上的振蕩 2 會產(chǎn)生較強干擾。 分析方法和相同，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的影響相對較小。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,同樣從上節(jié)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（）。 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。 其效果如右圖： 紅色：未改善之前 蘭色：采取措施之后,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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。,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,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?紅色：散熱片未接地 蘭色：散熱片接地,Flyback 架構(gòu)EMI 分析,當(dāng)綜合上述所有措施后，EMI總效果對比如圖所示：,紅色：未采取措施前 蘭色：綜合上述措施后,國際認證體系簡介,歐洲地區(qū) : 認証EMC Mark EMC, Standard 分為EMI (電磁干擾測試) EN61000-4-8為PFMF Test EN61000-4-11為DIP Test (電壓突降測試),國際認證體系簡介,美洲地區(qū) : 認証EMI Mark FCC (強制性) Standard FCC Part 15 (EMI 電磁干擾測試)