杜佐兵
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开关电源系统:EMC的分析与设计之一
开关电源系统:EMC的分析与设计之二
开关电源系统:EMC的分析与设计之三-EMI传导骚扰高效设计
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开关电源系统:EMC的分析与设计之三-EMI传导骚扰高效设计

前面我有对开关电源系统的EMC分析进行了系统的分析,介绍了开关电源系统的EMI主要来源的分析和总结。这部分待续部分我就来书写开关电源-传导干扰进行高效设计。

关键点1:

共模干扰的产生:是开关电源(开关MOS,输出功率较大时MOS会增加散热器设计)与大地(测试系统的参考接地板)之间存在分布电容。开关MOS及输出整流二极管在电路中方波电压的高频分量通过分布电容传入到大地(参考接地板)。这样就形成与电源线的回路,或者说;高频分量通过分布电容与电源线构成回路产生共模骚扰!

关键点2:

差模干扰的产生:主要是开关电源中开关管工作在开关状态。当开关管开通时流过电源线的电流线性上升,开关管关断时电流又突变为O;因此流过电源线的电流为高频的重复三角波脉动电流,其含有丰富的高频谐波分量。随着频率的升高该谐波分量的幅度会越来越小,因此差模骚扰是随频率的升高而降低的!

注意:随着频率的升高我们开关器件对地之间分布电容变得很关键!此时共模的干扰就变得越来越高,小的共模电流就会产生大的干扰!

这部分我可以通过EMI测试系统的CM/DM分离器就可以得到数据。

下图直观的显示共模和差模骚扰的回路路径:

如上图:开关电源产生的噪声包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。注意:通常线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

如下结构图可以想象如果没有特定的低通滤波器件我们是无法通过测试标准的!

杂散参数影响耦合通道的特性

进行上图的分析:在EMI传导骚扰频段<30MHz,多数开关电源骚扰的耦合通道我一般用电路网络路径图来分析的。但是,在开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高;因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。

注意:在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。还有,在开关管功率较大时,开关管一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

针对对上面的问题:我们的第一想法是要插入滤波器设计;所以开关电源传导的高效设计实际是我们插入滤波器的设计!

注意设计关键思路:在输入端加滤波器,滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡性,两种分量在传输中会互相转变,情况也变得复杂。

于是我在2015年正好空闲的一小段时间,进行电磁兼容滤波器的研究就开始做了各种各样的滤波电路在EMI实验室进行测试分析。如下图:

我先采用测试工装法:使用接线柱,我的设计方法不但可以使用整改好的标准整改模块,而且可以很方便地直接在接线柱上接上元件进行设计替换。

对于<75W开关电源EMI滤波器的测试研究如下:

输入滤波器的电路设计原理图

测试输入滤波电路能达到10dB设计裕量(采用电阻负载测试)

我们通用的工业及住宅类产品的EMI标准如下:

传导骚扰的测试频率范围为0.15~30MHz,限值要求如下表:

在0.15~1MHz的频率范围内,骚扰主要以差模的形式存在,

在1~10MHz的频率范围内,骚扰的形式是差模和共模共存,

在10MHz以上,骚扰的形式主要以共膜为主。

进行机理分析:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流会逐渐上升,开关管关断时电流突变为零,因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低,共模则相反随着频率的升高器件体之间的分布电容变得越来越关键;小的共模电流都能产生大的电磁干扰。

滤波器的设计:通过上面的分析,了解产品的干扰特性和输入阻抗特性后,设计或者选择一个滤波器就变得简单了。如果使用一个现成的滤波器,可以调用过去积累的滤波器数据库,比对滤波器参数,找到一个合适的滤波器。如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器,可以借助专用的滤波器设计软件。

我自己设计的公式计算软件的机理:

1.一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间所以EMI滤波器要在1-10MHZ的插入损耗要尽量好。

2.滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好:注意小于开关频率;

3.理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

举例说明:我将一只20mH的电感进行频率-电感& 频率-阻抗 分析;

频率-电感曲线FREQUENCY—INDUCTANCE CURVE:

频率---阻抗曲线FREQUENCY—IMPEDANCE CURVE:

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加(直流阻抗变大)。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

将输入滤波器进行等效如下:

进行EMI的共模和差模等效如下:

计算谐振频率(滤波器的截止频率):

对于<75W开关电源EMI输入滤波器计算结果如下:

通过测试的滤波器的EMI数据与理论的EXCEL的原理计算参数数据是吻合的。因此就可以类推各种不同应用条件下的EMI滤波器的设计!

如果系统是Ⅱ类器具/结构- 无接地措施!

滤波器如何设计?参数如何选择?

设计方法相同。这里不重复说明!直接推荐如下滤波器结构:

理论上电感量越高(但该电感的分布电容也越大)对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差(一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间,但也有超过10MHZ之情形)。

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加(DCR变大)。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使铁芯极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

根据我做多年白电产品的设计经验以下的共模电感直接拿来使用,基本上能通过所有的电子产品EMI-传导干扰的应用。

共模滤波器-性能最佳(<50W)采用分区/槽绕(Sectional Winding)

FT20.6参数规格

采用分区/槽绕 共模电感的漏感还可以做为差模电感使用如下图:

其频率阻抗曲线如下图:

如果功率超过50W推荐卧式结构的ET28

我再进行一下开关电源-传导干扰高效设计的要点总结:

设计要点:

共模电感和Y电容的使用要沿着干扰信号的流向构成一个LC低通滤波器的拓扑。同理,差模电感和X电容也如此。如下图示:

滤波器的正确工作方向

对于白电产品应用<75W的开关电源系统;如果还有需要更大的传导设计裕量,我推荐采用2级共模滤波器的设计;整个传导干扰的设计<40dB,推荐的标准的电路结构如下;

应用时注意:不同产品的应用漏电流要求是不同的;在漏电流的高要求场合Y电容的大小需要进行调整;调整Y电容后根据前面的LC谐振频率再来设计共模电感!设计应用永远是灵活的;具体设计细节可咨询本作者Adu-EMC!

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  • CHARM112233 2022-11-06 23:41
    帮忙分享表格,谢谢!
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  • dy-hHhUyaVT 2022-04-11 09:13
    能分享一下excel计算表格不,谢谢 75982109@qq.com
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