開關電源系統的產品EMC的三大思考問題分析

2020-11-21 電子發燒友

開關電源系統的產品EMC的三大思考問題分析

工程師青青 發表於 2018-09-08 11:43:01

開關電源與線性穩壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓範圍寬等許多優點，己被廣泛應用於計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。

但開關電源的突出缺點是能產生較強的電磁幹擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率範圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射後會影響電磁環境，對通信設備和電子產品造成幹擾。

如果處理不當，開關電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關電源的EMI，提高電子產品的質量，使之符合EMC標準，已成為電子產品設計者越來越關注的問題。

我們先來看看外部環境對開關電源的幹擾主要來自電網的抖動、雷擊、外界輻射等；如下圖：

1、電源噪聲？

2、電源復位？

3、電源輸出？

4、電源損壞？

等等。

瞬態幹擾（EMS）對設備會產生威脅，出現產品功能及性能的問題。

後面我們通過PCB的分析來講解開關電源系統EMS的問題；

開關電源系統的產品EMC的三大思考問題，了解了＆找得到就能解決EMC。

1．信號（源）；

2．結構設計 ；

3．地的連接 。

傳導幹擾共模與差模信號的電流路徑分析。

開關電源通常是將工頻交流電整流為直流電， 然後經過開關管的控制使其變為高頻， 再經過整流濾波電路輸出， 得到穩定的直流電壓。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電， 開關管高頻通斷， 輸出整流二極體的反向恢復等工作過程中產生了極高的di／dt和du／dt ，形成了強烈的浪湧電流和尖峰電壓， 它是開關電源電磁幹擾產生的最基本原因。

另外，開關管的驅動波形， MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀的周期波。因此， 其頻率是MHz級別的，有著很高的高頻諧波分量！ 這些高頻信號對開關電源的基本信號， 特別是控制電路的信號造成幹擾。

簡單的說：開關電源系統當MOS管開通時，L，N迴路中變壓器電感的電流線性上升；MOS關斷時 L，N迴路電流迅速關斷；此時迴路的電流波形為三角波；高頻的三角波電流的諧波分量形成系統的差模幹擾。

雜散參數影響耦合通道的特性

在傳導騷擾頻段（＜30MHz），多數開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是，在開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極體都包含有雜散參數，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將複雜得多。

在高頻時，雜散參數對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導的共模騷擾。

簡單的說：在高頻段＞1MHZ時，開關電源系統對地就存在分布電容；系統的關鍵信號，關鍵走線對地都存在分布電容；分布電容形成對地回到L，N的共模幹擾信號。同時分布電容的環路形成對空間的輻射幹擾！

輻射幹擾共模與差模信號的磁場分布。

1．差模電流的磁場主要集中在差模電流構成的迴路面積之內，

而迴路面積之外的磁力線會相互抵消；

2．共模電流的磁場，在迴路面積之外，

共模電流產生的磁場方向相同，磁場強度反而加強。

注意：

關於輻射的一個重要基本概念是：電流導致輻射，而非電壓。

輻射幹擾共模與差模信號的場強特性。

1．較小的共模電流能夠產生強度很高的輻射；

2．很多因素都能導致共模電流；

比如：

A．電網串入共模幹擾電壓－（我們EMS的部分模擬測試）；

B．輻射幹擾（如雷電，設備電弧，附近電臺，大功率輻射源）在信號線上感應出共模幹擾；

C．接地電壓不一樣。也就是說地電位差異引入共模幹擾；

D．也包括設備內部電線對電源線的影響。

數據結果－40dB 測試數據分析：

Data1： 一個20mA的差模電流，

在30MHZ時，將在3m遠的地方產生一個強度為100uV／m的輻射電場。

Data2： 一個8uA的共模電流，

在30MHZ時，將在3m遠的地方產生一個強度為100uV／m的輻射電場。

很小的共模電流 和 很大的差分電流產生大小相等的RF能量。

原因：共模電流不能在RF返迴路徑中進行磁力線的抵消。

輻射幹擾系統分布參數影響的電磁場環路分析

開關電源系統對地就存在分布電容；系統的關鍵信號，關鍵走線對地都存在分布電容；共模電流通過布局布線流經系統的信號線及電纜的分布電容形成對地 回到L，N的共模幹擾信號。同時分布電容的環路形成對空間的輻射幹擾。

其中＞30MHZ以上 為輻射發射的天線接收；即共模輻射在空間產生電磁場，此時被輻射騷擾測試接收天線接收後，那麼就形成了產品對外的輻射騷擾。

對電子產品的EMC的三大思考問題。

A．信號（源） 在哪裡；

B．結構設計 是這樣的嗎；

C．地的連接 還有更好的方法嗎？

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