開關(guān)電源電磁干擾問題分析

1、 目 錄 目錄 1 目的 2 問題 2-6 問題簡析 6-7 五 對策方案 7 101 對主開關(guān)管2 對變壓器3 對極管4 對貯能電感5 對外加干擾六 實(shí)例應(yīng)用 10-17七 結(jié)論 171 PDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 21. 目的 :自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電子擾動或因某些設(shè)備引起的其它設(shè)備的非正常響應(yīng)都可 稱為電磁干擾 (EMI electromagnetic interference .而電磁兼容 (EMCelectromagnetic compatibility則與 EMI 相反 , 是確保系統(tǒng)或設(shè)備不產(chǎn)生電磁幹?jǐn)_ 的技術(shù) .對電源供應(yīng)器 , 則 要求我

2、們所 設(shè) 計(jì) 的電源不可以幹?jǐn)_ 到 系統(tǒng)的正常 運(yùn)行 , 同時(shí) 也希望 電源對系統(tǒng)的幹?jǐn)_ 有 定 的 免疫力 . 另 外 , 由于 EMI 的不可 視性和隨機(jī)性 , 給我們 的設(shè) 計(jì)帶來了很大 的 困 擾 , 是電源設(shè) 計(jì) 的 大難 題 !本文將 以 PSA54U-201為例 , 對 EMI 和 EMC 進(jìn)行 系 列 的 討 論 , 希望 能 尋求 到 些可 普遍運(yùn) 作的 解決 方案 .2. 問題此機(jī)種在最初 的 時(shí)候 ,CE 和 RE 都 比較高對 于 CE, 在低頻端 (0.15M 0.5M 和高頻部份 (10M 15M 比較高 ,MARGIN 不 夠 (客戶認(rèn) 為 , 若超過了第 條線

3、則為不 PASS. 尤 其是 FCC, 後面那部份很高 , 已超出了規(guī)格很多 .而 RE, 則 在 50M 至 70M 內(nèi) 的 值比較高 , 超出快 20Db. 參照 以 圖樣圖 1 conduction testEN55022-B LINE0.208M 58.1 -6.7 22.1M 47 -8PDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 3圖 2 conduction testEN55022-B NEUTRAL0.21M 57 -7圖 3 conduction testFCC-B LINE22.3M 45.4 -1.2圖 4 conduction test FCC

4、-B NEUTRALPDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 40.48M 37.6 -10.4 22.3M 47.2 0.1圖 5 radiation test EN55022-BVERTICAL62.1M 47.6 56.3M 38圖 6 radiation test EN55022-B HORIZONTALPDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 64.5M 37.6圖 7 radiation test FCC-BVERTICAL 60.3M 50.856.3M 41圖 8 radiation test FCC-B NEUTRA

5、L 63.1M 47.1172M 42.5由 以 波形 ,EMI 的問題 顯 而 易見 !3. 問題簡析圖 9 PSA54U-201的 線路圖 此機(jī)種 為 PSA65U-301的 衍 生 機(jī) 型 , 在 做處理 時(shí) , 只 是 單純 的 把 另 外 組輸 出 給 去掉 , 而變壓器 沒做改 變 , 這 樣帶來了很多 隱患 .EMI 雜訊 的 來 源我認(rèn) 為 雜訊 的產(chǎn)生 在 於 電 流 或電壓的 急劇 變 化 (d i /dt 和 d v /dt 很大 , 因 此高 功 率 和高頻 率 運(yùn) 作的器 件 都是 EMI 雜訊 的 來 源 .對 power 來 說 , EMI雜訊 的 來 源 有a

6、開關(guān)管b 變壓器c 極 體d 貯能電感e 外 界 幹?jǐn)_的 耦合 (輸入 端和 輸 出端 4. 對策方案個(gè) 認(rèn) 為電磁幹?jǐn)_是 種 能 量 , 無法 不 讓 它產(chǎn)生 , 只 有 用 定 的 辦法去減小 其 對系統(tǒng)的干擾 . 另 外正因?yàn)樗?種 能 量 , 對 於整個(gè) power 來 說 . 其 總共 的能 量 是 定 的 , 我們 可以 采 用方 法去降 低 某 個(gè) 頻 段 的干擾 , 但 個(gè) 頻 段 的壓 低 就會 引起 另 個(gè) 頻 段 能 量 的 升 . 因 此 , 我們 需 要 的是 整個(gè) 系統(tǒng)的 平衡 . 可用 到 的方 法 可 分 為 兩 大 類 : 種 是 讓 能 量泄放掉 ; 另

7、種 是 把 能 量 給 擋個(gè) 外 部 . 也 可以 說 種 方 法 是 減 小 其產(chǎn)生的 幅度 , 另 種 則 切斷 其 傳播途徑 .因 此 , 最有 效 的 辦法 是 把 電源 給 完全屏蔽 .4.1 對開關(guān)管在 power 的工作 過 程 , 開關(guān)管 直處 在快 速 的關(guān) 與斷 的 狀態(tài) , 而 由 於 開關(guān)管 結(jié) 面 電容的 存 在 , 開關(guān)管 在快 速 開關(guān)的 時(shí)候 就會 產(chǎn)生 定 的 尖峰 , 這 樣 就會 有 些noise 發(fā)射 出來 . 另 外開關(guān)管的結(jié) 面 電容 和 變壓器的 繞組 電感 也有 可能產(chǎn)生 諧振 而 發(fā) 出 幹?jǐn)_ .對 此 可 采 用的方 法 有1 在 D 極 和

8、 G 極加 core, 這 樣 等於 加 了 個(gè)小 電感 , 使 開關(guān)管的電 流 變 化率 不 會 太 大 , 可 減小尖峰 的 大 小2 在 開關(guān)管 處 加 snubber同樣 的 , 此 方案 也 是為 了 使 開關(guān)管 在快 速 工作 時(shí) 的 尖峰 不 要 太 大 , 使 其電壓或 電 流 能 緩慢 升 .圖 10 Q1的 波形 3 減小 開關(guān)管 與周邊 元 件 的壓 差 ,這 樣 的 話 , 則開關(guān)管的結(jié) 面 電容可 充 電的 程度會 得 到 定 的 降 低 ,4.2 對變壓器變壓器是 power 的貯能 元 件 , 在 能 量 的 充 放 過 程 , 就 可能 會 產(chǎn)生 雜訊 幹 擾

9、.對 此我們 可 采 用的方案 有1 把 變壓器 法 拉 第 屏蔽讓 變壓器產(chǎn)的 雜訊 不 發(fā)射 出來2 減緩 能 量 的 快 速 充 放3 次側(cè) 的可 靠隔離4.3 對極 體同樣 的 , 極管 在快 速 截止 與 導(dǎo)通 的 過 程 會 有 spike 的產(chǎn)生 . 且 它的正常 與 否 很 密 切 的關(guān) 係 開開關(guān)管 和 變壓器的工作 . 因 此我們在 對 次 整流 極 體做處理 時(shí) , 定要同時(shí) 檢測 開關(guān)管 和 變壓器的工作 波形 .1 加 RC 緩 衝 器讓 極 體 的能 量 能 平緩 的 泄放2 在 其管 腳 個(gè) 加 bead core使 其電 流 不可 突 變以 減小 spike4.

10、4 對貯能電感類 似 於 變壓器 , 可對其加 屏蔽4.5 外 界 幹?jǐn)_的 耦合 (輸入 端和 輸 出端 對 輸入 端此 處 是 整個(gè) 電源的 入 口 處 , 外 部 電 網(wǎng) 的些 雜訊 都 有 可能 從 此 處 進(jìn)來 , 從 而幹 擾 到 電源 內(nèi)部 些 元 件 的正常工作 . 與 此同時(shí) , 電源 內(nèi)部 的 雜訊 也 是 由此 傳播 到 外 部 電 網(wǎng) , 對外 界 造成 干擾 . 般 我們在 這 里 都 有 些 X 電容 和 Y 電容以 及 noise filter對 雜訊 進(jìn)行過 濾 . 如 圖所 示 圖 11 濾 波 電 路 1其 些 雜訊 可 直 接通 過 電容 bypass 到大

11、 , 另 些則 被 由 電容 和 電感 組 成 的 濾 波 阻 擋 在 外 面 .對些 功率 比較大 的電源 , 般 都可 采 用 級連 的 辦法 , 在 級 共 模濾 波後 再 加 級差模濾 波來 減小雜訊 的干擾 (見圖 圖 12 濾 波 級連我們 可 適當(dāng) 的 X 電容 值和 Y 電容 值 以 及 NF 值 對 傳 導(dǎo) 幹?jǐn)_可 達(dá) 到 定 的目的 . 對 輸 出端 (尤 其是 長 DC CORD電源 給 系統(tǒng) 搭配后 , 系統(tǒng) 內(nèi)部 的些 雜訊就 可能 由 DC CORD而 傳 到 電源的 內(nèi)部 , 而 且 外 界 的些幹?jǐn)_ 也有 可能 通 過 DC CORD耦合 到 電源 內(nèi)部 , 產(chǎn)

12、系 列 的 干擾 .對 於 由此 而產(chǎn)生的干擾 , 最 好 的 辦法 是 同 對 付 輸入 端 的幹?jǐn)_ 樣 去 加些 共 模濾 波和 差模濾 波 . 但 是 在 實(shí) 際 不 太 可能 去做這 些工作 , 因 此我們 只 能 從 DC CORD 去 著手 .首先 對 於直 接 由 系統(tǒng) 內(nèi)部 傳 過來 的干擾 我們 可以 在 DC CORD 加些磁 環(huán) 以 及 filter core去減小 其 noise而對 於耦合 在 DC CORD 的 雜訊 , 我們 可以加 強(qiáng) DC CORD的 抗 幹?jǐn)_能 力 , 比 方 說 給 它加 屏蔽 , 讓 外 界 的 雜訊 不 易 從 它 耦合 到 電源 內(nèi)部

13、 .5. 實(shí)例應(yīng)用由 開 始 所 提 供的 EMI 圖樣 可 知 ,CONDUCTION 的 LINE 線要比 NEUTRAL 線高 . 而 RADIATION 的 VERTICAL 要比 HORIZONTAL 高多 . 故 以 後 只 提 供 CPNDUCTION 的 LINE 線 以 及 RADIATION 的 VERTICAL 兩 種波形圖 !對 於 本機(jī)種 , 由 於 其 安 規(guī)已 申請 , 故 在 EMI 的 改 善 過 程 有 個(gè) 很大 的 難 題是不 可以 去 很大 幅度 的 改 動其 安 規(guī) 元 件 , 而 添 加外 圍 電 路 的 前提 也 是不可以 去 動 PCB! 對 圖

14、 1, 可 看 到 輸入 部份和 輸 出部份很高 , 對 輸 出那 段 , 可以 在 DC CORD處 加 個(gè) 磁 CORE, 結(jié) 果如 圖 11圖 13變 更 DC CORD 後 的CONDUCTION 由圖 可 看 到 , 在 20M 到 30M 內(nèi) 的 尖峰 已 削 平 到了 40Db 左右 .對 輸入 部份最 直 接 的對策是 把 NOISE FILTER加 大 , 而 由 於 此 是 安 規(guī) 元 件 ,對 此我 請教 過 安 規(guī) 的 專家 , 她 們認(rèn) 為 在 變 更 此 類 元 件 時(shí) , 只 要 對 周 過 的 元 件 的 影 響 不 很大 , 溫差 不 會 超過 20 則可 認(rèn)

15、 為變 換 後 安 規(guī) 仍 不變 . 對 此 , 我 把 NF 由 開 始 的 16mH 左右 加 大到了 23mH 左右 . 變 更 後 的 圖 如 圖 12:圖 14 變 更 NF 後 的 CONDUCTION 圖 (EN55022 圖 15 變 更 NF 後 的 CONDUCTION 圖 (FCC由圖 可 看 到 , 在 500K 以 前 的 峰 值 都 已有了 降 , 不 過在 0.5 2M 間 的 峰 值 都 有了 定 程度 的 提 高 , 由此帶來了另 個(gè)患 , 在此 暫且 不 提 .到此 可 認(rèn) 為 ,CONDUCTION 已 修 改 成 功 .面 再 來 看看 RADIATIO

16、N:對 於 此 類 干擾 , 我們要 借助 系 列 的工 具 , 最 好 能用 步譜 分 析 儀 , 那樣 可以 定 頻 率 的 分 析 到 每 個(gè) 頻 段 的幹?jǐn)_的 高低 , 不 過此 方 法 要 用的 頻 譜 分 析 儀 不可 多求 , 故 可 采 用 更 ” 原 始 ” 點(diǎn) 的方 法 , 可以 把 個(gè)小 電感 (感 值很 小 , 且 絕緣良 好 很 好 的 屏 蔽 后 (只 留 其 接 收 端在 外 把 它的 兩個(gè) 引 腳接 到 示 波 器 , 把 示 波 器的 頻帶 限制 去掉 後 選 用 定 的檔 位 , 把 接 收 端 去 接 觸 工作 著 的 POWER 的 各 個(gè) 點(diǎn) , 如果

17、 電感 選 取 合 適 的 話 , 則 從示 波 器 接 收 到 的 信號 就 是 你 所 接 觸點(diǎn) 的 發(fā) 出 的 信號 , 可以 很 精 確的 這 點(diǎn) 分 析 到 幹?jǐn)_源 . 對 本機(jī)種 采 用 此 方 法 可以 看 到在 Q1,D51,D52,D53,REC, TRANSFORMER 處 的幹?jǐn)_ 信號 最 強(qiáng) .5.1首先 , 我 看 了 屏蔽 的 效 果 , 用 塊 屏蔽 板 加 在 電源 , 形 成 雙層 屏蔽圖 16 屏蔽 電源 可 看 到 , 加 了 塊 屏蔽 板 以 後 整個(gè) 頻 段 的 峰 值 都可以壓 去 .5.2在 Q1的 D 極加 了 個(gè) BEAD CORE圖 17 Q

18、1的 D 極加 BEAD CORE 可以 看 到 , 加 了 磁 環(huán) 以 后 , 峰 值有所 降 低5.3由 於 在本機(jī) , 開關(guān)管 接 在 次側(cè) , 與 大 有 定 的電 位 , 故 嘗 試 把 晶 體與 次隔離 . 結(jié) 果如 圖 18圖 18 晶 體 管 隔離 這 樣 隔離后 相 當(dāng) 於減小 了 晶 體 管 與周 過 元 件 的電 位 差 . 也有 定 的 效 果 . 5.4由于 變壓器 處發(fā) 出 的 信號 也很 強(qiáng) , 故 嘗 試 把 變壓器 給 屏蔽 .圖 19 屏蔽 變壓器 相對 圖 5, 也有所 改 善5.5同樣 的 , 給 次隔離 的 Y 電容引 腳 加 個(gè) BEAD CORE圖 20 給 C9加BEAD CORE 5.6給 次側(cè) 的 整流 極 體 加 CORE圖 21 D51,D52加 CORE5.7 把輸出貯能電感屏蔽 圖 22 屏蔽輸出電感 5.8 在初次側(cè) SNUBBER 的 D3 兩端并小電容 圖 23 SNUBBER 處 D3 并電容 15 PDF 檔案以 "PDF 製作工廠" 試用版建立 此方法對輻射比較有效,但對傳導(dǎo)的影響較大 考慮到作業(yè)的最簡便,故最簡單的方法莫過於在 Q1,D51,D52,C9 此幾個(gè)元 件的引腳處加 BEAD