開關電源EMI設計與整改策略100條!

　　EMC的分類及標準

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201704/346617.htm

　　EMC(Electromagnetic Compatibility)是電磁兼容，它包括EMI(電磁騷擾)和EMS(電磁抗騷擾)。EMC定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈衝。

　　EMC = EMI + EMS EMI：電磁幹擾 EMS：電磁相容性 (免疫力)

　　EMI可分為傳導Conduction及輻射Radiation兩部分，

　　Conduction規範一般可分為： FCC Part 15J Class B;CISPR 22(EN55022， EN61000-3-2， EN61000-3-3) Class B;

　　國標IT類(GB9254，GB17625)和AV類(GB13837，GB17625)。

　　FCC測試頻率在450K-30MHz，CISPR 22測試頻率在150K--30MHz，Conduction可以用頻譜分析儀測試，Radiation則必須到專門的實驗室測試。

　　EMI為電磁幹擾，EMI是EMC其中的一部分，EMI(Electronic Magnetic Interference) 電磁幹擾， EMI包括傳導、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁幹擾是由幹擾源、藕合通道和接收器三部分構成的，通常稱作幹擾的三要素。 EMI線性正比於電流，電流迴路面積以及頻率的平方即：EMI = K*I*S*F2。I是電流，S是迴路面積，F是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關的一個常數。

　　輻射幹擾(30MHz—1GHz)是通過空間並以電磁波的特性和規律傳播的。但不是任何裝置都能輻射電磁波的。

　　傳導幹擾(150K--30MHz)是沿著導體傳播的幹擾。所以傳導幹擾的傳播要求在幹擾源和接收器之間有一完整的電路連接。

　　EMI是指產品的對外電磁幹擾。一般情況下分為Class A & Class B 兩個等級。 Class A為工業等級，Class B為民用等級。民用的要比工業的嚴格，因為工業用的允許輻射稍微大一點。同樣產品在測試EMI中的輻射測試來講，在30-230MHz下，B類要求產品的輻射限值不能超過40dBm 而A類要求不能超過50dBm(以三米法電波暗室測量為例)相對要寬鬆的多，一般來說CLASSA是指在EMI測試條件下，無需操作人員介入，設備能按預期持續正常工作，不允許出現低於規定的性能等級的性能降低或功能損失。

　　EMI是設備正常工作時測它的輻射和傳導。在測試的時候，EMI的輻射和傳導在接收機上有兩個上限，分別代表Class A和Class B，如果觀察的波形超過B的線但是低於A的線，那麼產品就是A類的。EMS是用測試設備對產品幹擾，觀察產品在幹擾下能否正常工作，如果正常工作或不出現超過標準規定的性能下降，為A級。能自動重啟且重啟後不出現超過標準規定的性能下降，為B級。不能自動重啟需人為重啟為C級，掛掉為D級。國標有D級的規定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇數倍是最不好過的。

　　EMS(Electmmagnetic Suseeptibilkr) 電磁敏感度一般俗稱為「電磁免疫力」，是設備抗外界騷擾幹擾之能力，EMI是設備對外的騷擾。

　　EMS中的等級是指：Class A，測試完成後設備仍在正常工作;Class B，測試完成或測試中需要重啟後可以正常工作;Class C，需要人為調整後可以正常重啟並正常工作;Class D，設備已損壞，無論怎樣調整也無法啟動。嚴格程度EMI是B > A，EMS是A > B > C > D。

　　EMI電路：

　　X電容的作用：

　　抑制差模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。

　　Y電容的作用：

　　抑制共模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。Y電容使次級到初級地線提供一個低阻抗迴路，使流向地再通過LISN回來的電流直接短路掉，由於Y電容非完全理想，次級各部分間也存在阻抗，所以不可能全部回來。還是有一部分流到地。Y電容必須直接用儘量短的直線連接到初級和次級的冷地， 如果開通時MOS的dv/dt大於關斷時的dv/dt， 則Y電容連接到初級的地; 反之連接到V+。

　　共模電感的作用：

　　抑制共模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。增加共模電流部分的阻抗，減小共模電流。

　　差模電感的作用：

　　抑制差模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。

　　開關電源設計前的一般應對策略

　　採用交流輸入EMI濾波器

　　通常幹擾電流在導線上傳輸時有兩種方式：共模方式和差模方式。共模幹擾是載流體與大地之間的幹擾：幹擾大小和方向一致，存在於電源任何一相對大地、或中線 對大地間，主要是由du/dt產生的，di/dt也產生一定的共模幹擾。而差模幹擾是載流體之間的幹擾：幹擾大小相等、方向相反，存在於電源相線與中線及 相線與相線之間。幹擾電流在導線上傳輸時既可以共模方式出現，也可以差模方式出現;但共模幹擾電流只有變成差模幹擾電流後，才能對有用信號構成幹擾。

　　交流電源輸人線上存在以上兩種幹擾，通常為低頻段差模幹擾和高頻段共模幹擾。在一般情況下差模幹擾幅度小、頻率低、造成的幹擾小;共模幹擾幅度大、頻率高， 還可以通過導線產生輻射，造成的幹擾較大。若在交流電源輸人端採用適當的EMI濾波器，則可有效地抑制電磁幹擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模幹擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模幹擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗並且按同方向繞制在一個磁芯 上的線圈組成。如果兩個線圈之間的磁藕合非常緊密，那麼漏感就會很小，在電源線頻率範圍內差模電抗將會變得很小;當負載電流流過共模扼流圈時，串聯在相線上的線圈所產生的磁力線和串聯在中線上線圈所產生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消。 因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽和。而對於共模幹擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，從而起到衰減共模幹擾信號的作用。 這裡共模扼流圈要採用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。

　　  

 

　　圖1 電源線濾波器基本電路圖

　　利用吸收回路改善開關波形

　　開關管或 二極體在開通和關斷過程中，由於存在變壓器漏感和線路電感，二極體存儲電容和分布電容，容易在開關管集電極、發射極兩端和二極體上產生尖峰電壓。通常情況下採用RC/RCD吸收回路，RCD浪湧電壓吸收回路如圖2所示。

　　  

 

　　圖2 RCD浪湧電壓吸收回路

　　當吸收回路上的電壓超過一定幅度時，各器件迅速導通，從而將浪湧能量洩放掉，同時將浪湧電壓限制在一定的幅度。在開關管集電極和輸出二極體的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質一般為鈷(Co)，當通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時，它將產生很大的反電勢，這樣就能有效地 抑制二極體VD的反向浪湧電流。

　　利用開關頻率調製技術

　　頻率控制技術是基於開關幹擾的能量主要集中在特定的頻率上，並具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達到降低於擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機頻率法和調製頻率法。

　　隨機頻率法是在電路開關間隔中加人一個隨機擾動分量，使開關幹擾能量分散在一定範圍的頻帶中。研究表明，開關幹擾頻譜由原來離散的尖峰脈衝幹擾變成連續分布幹擾，其峰值大大下降。

　　調製頻率法是在鋸齒波中加人調製波(白噪聲)，在產生幹擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將幹擾的離散頻帶調製展開成一個分布頻帶。這樣，幹擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關斷時的幹擾。

　　採用軟開關技術

　　開關電源的幹擾之一是來自功率開關管通/斷時的du/dt，因此，減小功率開關管通/斷的du/dt是抑制開關電源幹擾的一項重要措施。而軟開關技術可以減小開關管通/斷的du/dt。

　　如果在開關電路的基礎上增加一個很小的電感、電容等諧振元件就構成輔助網絡。在開關過程前後引人諧振過程，使開關開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現象，降低、甚至消除開關損耗和幹擾，這種電路稱為軟開關電路。

　　根據上述原理可以採用兩種方法，即在開關關斷前使其電流為零，則開關關斷時就不會產生損耗和幹擾，這種關斷方式稱為零電流關斷;或在開關開通前使其電壓為 零，則開關開通時也不會產生損耗和幹擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電流開關和零電壓開關，基本電路如圖3和 圖4所示。

　　  

 

　　圖3 零電壓開關諧振電路

　　  

 

　　圖4 零電流開關諧振電路

　　通常採用軟開關電路控制技術，結合合理的元器件布局及印製電路板布線、接地技術，對開關電源的EMI幹擾具有一定的改善作用。

　　採用電磁屏蔽措施

　　一般採用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關電源的電磁輻射幹擾。開關電源的屏蔽措施主要是針對開關管和高頻變壓器而言。開關管工作時產生大量的熱量，需要給 它裝散熱片，從而使開關管的集電極與散熱片間產生較大的分布電容。因此，在開關管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層，並且散熱片接機殼地，金屬層接到 熱端零電位，減小集電極與散熱片間藕合電容，從而減小散熱片產生的輻射幹擾。針對高頻變壓器，首先應根據導磁體屏蔽性質來選擇導磁體結構，如用罐型鐵芯和 El型鐵芯，則導磁體的屏蔽效果很好。變壓器外加屏蔽時，屏蔽盒不應緊貼在變壓器外面，應留有一定的氣隙。如採用有氣隙的多層屏蔽物時，所得的屏蔽效果會 更好。另外，在高頻變壓器中，常常需要消除初、次級線圈間的分布電容，可沿著線圈的全長，在線圈間墊上銅箔製成的開路帶環，以減小它們之間的禍合，這個開 路帶環既與變壓器的鐵芯連接，又與電源的地連接，起到靜電屏蔽作用。如果條件允許，對整個開關電源加裝屏蔽罩，那樣就會更好地抑制輻射幹擾。

　　開關電源設計後EMI的實際整改策略--傳導部分

　　1MHZ 以內以差模幹擾為主

　　1、150KHZ-1MHz，以差模為主，1-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以後基本上是共模。差模幹擾的分容性藕合和感性藕合。一般1MHZ以上的幹擾是共模，低頻段是差摸幹擾。用一個電阻串個電容後再併到Y電容的引腳上，用示波器測電阻兩引腳的電壓可以估測共模幹擾;

　　2、保險過後加差模電感或電阻;

　　3、小功率電源可採用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。

　　4、前端的π型EMI零件中差模電感只負責低頻EMI，體積別選太大(DR8太大，能用電阻型式或DR6更好)否則幅射不好過，必要時可串磁珠，因為高頻會直接飛到前端不會跟著線走。

　　5、傳導冷機時在0.15-1MHZ超標，熱機時就有7DB餘量。主要原因是初級BULK電容DF值過大造成的，冷機時ESR比較大，熱機時ESR比較小，開關電流在ESR上形成開關電壓，它會壓在一個電流LN線間流動，這就是差模幹擾。解決辦法是用ESR低的電解電容或者在兩個電解電容之間加一個差模電感。

　　6、測試150KHZ總超標的解決方案：加大X電容看一下能不能下來，如果下來了說明是差模幹擾。如果沒有太大作用那麼是共模幹擾，或者把電源線在一個大磁環上繞幾圈， 下來了說明是共模幹擾。如果幹擾曲線後面很好，就減小Y電容，看一下布板是否有問題，或者就在前面加磁環。

　　7、可以加大PFC輸入部分的單繞組電感的電感量。

　　8、PWM線路中的元件將主頻調到60KHZ左右。

　　9、用一塊銅皮緊貼在變壓器磁芯上。

　　10、共模電感的兩邊感量不對稱，有一邊匝數少一匝也可引起傳導150KHZ-3MHZ超標。

　　11、一般傳導的產生有兩個主要的點：200K和20M左右，這幾個點也體現了電路的性能;200K左右主要是漏感產生的尖刺;20M左右主要是電路開關的噪聲。處理不好變壓器會增加大量的輻射，加屏蔽都沒用，輻射過不了。

　　12、將輸入BUCK電容改為低內阻的電容。

　　13、對於無Y-CAP電源，繞制變壓器時先繞初級，再繞輔助繞組並將輔助繞組密繞靠一邊，後繞次級。

　　14、將共模電感上並聯一個幾K到幾十K電阻。

　　15、將共模電感用銅箔屏蔽後接到大電容的地。

　　16、在PCB設計時應將共模電感和變壓器隔開一點以免互相干擾。

　　17、保險套磁珠。

　　18、三線輸入的將兩根進線接地的Y電容容量從2.2nF減小到471。

　　19、對於有兩級濾波的可將後級0.22uFX電容去掉(有時前後X電容會引起震蕩) 。

　　20、對於π型濾波電路有一個BUCK電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導150KHZ-2MHZ的L通道有幹擾，改良方法是將此電容用銅泊包起來屏蔽接到地，或者用一塊小的PCB將此電容與變壓器和PCB隔開。或者將此電容立起來， 也可以用一個小電容代替。

　　21、對於π型濾波電路有一個BUCK電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導150KHZ-2MHZ的L通道有幹擾，改良方法是將此電容用一個1uF/400V或者說0.1uF/400V電容代替， 將另外一個電容加大。

　　22、將共模電感前加一個小的幾百uH差模電感。

　　23、將開關管和散熱器用一段銅箔包繞起來，並且銅箔兩端短接在一起，再用一根銅線連接到地。

　　24、將共模電感用一塊銅皮包起來再連接到地。

　　25、將開關管用金屬套起來連接到地。

　　26、加大X2電容只能解決150K左右的頻段，不能解決20M以上的頻段，只有在電源輸入加以一級鎳鋅鐵氧體黑色磁環，電感量約50uH-1mH。

　　27、在輸入端加大X電容。

　　28、加大輸入端共模電感。

　　29、將輔助繞組供電二極體反接到地。

　　30、將輔助繞組供電濾波電容改用瘦長型電解電容或者加大容量。

　　31、加大輸入端濾波電容。

　　32、150KHZ-300KHZ和20MHZ-30MHZ這兩處傳導都不過，可在共模電路前加一個差模電路。也可以看看接地是否有問題，該接地的地方一定要加強接牢，主板上的地線一定要理順，不同的地線之間走線一定要順暢不要互相交錯的。

　　33、在整流橋上並電容，當考慮共模成分時，應該鄰角並電容，當考慮差模成分時，應該對角並電容。

　　34、加大輸入端差模電感。

　　1MHZ---5MHZ差模共模混合

　　採用輸入端並聯一系列X電容來濾除差摸幹擾並分析出是哪種幹擾超標並以解決。

　　1、對於差模幹擾超標可調整X 電容量，添加差模電感器，調差模電感量。

　　2、對於共模幹擾超標可添加共模電感，選用合理的電感量來抑制;

　　3、也可改變整流二極體特性來處理一對快速二極體如FR107 一對普通整流二極體1N4007。

　　4、對於有Y電容的電源，幹擾在1M以前以差模為主，2-5M是差模和共模幹擾。對於NO-Y來說，情況不一樣，1M以前的共模也非常厲害。在前面加很多X電容，濾光差模，改不改變壓器對差模沒有影響了，如果還有變化，就是共模了。差共模分離的方法：在AC輸入端加很多X電容，從小到大，這樣可以把差模濾去，剩下的就是共模了，再與總的噪音相比較，就能看出差模的大小。

　　5、繞制變壓器時將所有同名端放在一邊，可降低1.0MHZ-5.0MHZ傳導幹擾。

　　6、對於小功率用兩個差模電感，減少差模電感匝數可降低傳導1.2MHZ幹擾。

　　7、加大Y電容，可降低傳導中段1MHZ-5MHZ幹擾。

　　8、對於無Y電容的開關電源EMI在1MHZ-6MHZ超標，如加了Y電容後EM降下來了的話，就可在變壓器初次級間加多幾層膠紙。

　　9、將MOS管散熱片接MOS管S極。

　　10、在輸入端濾波電容上並聯小容量高壓瓷片或者高壓貼片電容。

　　5M---20MHZ以共摸幹擾為主，採用抑制共摸的方法。

　　1、對於外殼接地的，在地線上用一個磁環串繞2-3 圈會對10MHZ 以上幹擾有較大的衰減作用;

　　2、可選擇緊貼變壓器的鐵芯粘銅箔，銅箔要閉環。

　　3、處理後端輸出整流管的吸收電路和初級大電路並聯電容的大小。

　　4、在變壓器初級繞組上用一根很細的三重絕緣線並繞一個屏蔽繞組，屏蔽繞組的一端接電源端另外一端通過一個電容接到地。

　　5、可將共模電感改為一邊匝數比另一邊多一匝，另其有差模的作用。

　　6、將開關管D極加一小散熱片且必需接高壓端的負極，變壓器的初級起始端連接到MOS管D極。

　　7、將次級的散熱片用一個102的Y電容接到初級的L/N線， 可降低傳導幹擾。

　　8、如果加大Y電容傳導幹擾下來了，則可以改變變壓器繞法來改良，可在初次級間加多幾層膠帶;如果加大Y電容傳導幹擾未改善，就要改電路可改好不必改變壓器繞法。

　　9、將變壓器電感量適當加大，可降低RCC開關電源在半載時的傳導幹擾。

　　10、用變壓器次級輔助繞組來屏蔽初級主繞組，比用變壓器初級輔助繞組來屏蔽初級主繞組，傳導整體要好得多。

　　11、傳導整體超標，用示波器看開關管G和D極波形都有重疊的現象，將光藕供電電阻從輸出濾波共模電感下穿過接輸出正極改接不從大電流下穿過後一切OK。

　　12、在輸入端L線和N線各接一681/250V的Y電容，Y電容另外一端接次級地。

　　13、將次級的輔助繞組用來屏蔽初級主繞組，可降低傳導3-15MHZ幹擾。用次級的輔助繞組來屏蔽初級主繞組，比用初級的輔助繞組來屏蔽初級主繞組傳導要好得多。

　　14、在PCB板底層放一層銅片接初級大電容負極。

　　15、將整個電源用一塊銅片包起來， 銅片接初級大電容負極。

　　16、減小Y電容容量。

　　對於20--30MHZ

　　1、對於一類產品可以採用調整對地Y2電容量或改變Y2電容位置;

　　2、調整一二次側間的Y1 電容位置及參數值;

　　3、在變壓器外面包銅箔，變壓器最裡層加屏蔽層，調整變壓器的各繞組的排布。

　　4、改變PCB LAYOUT;

　　5、輸出線前面接一個雙線並繞的小共模電感;

　　6、在輸出整流管兩端並聯RC濾波器且調整合理的參數;

　　7、在變壓器與MOSFET之間加磁珠;

　　8、在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容。

　　9、可以用增大MOS 驅動電阻。

　　10、可能是電子負載引起的，可改用電阻負載。

　　11、可將MOS管D 端對地接一個101的電容。

　　12、可將輸出整流二極體換一個積電容小一點的。

　　13、可將輸出整流二極體的RC迴路去掉。

　　14、將輸入端加兩個Y電容對地，可降低傳導25MHZ-30MHZ幹擾。

　　15、緊貼變壓器的磁芯上加一銅皮，銅皮連接到地。

　　16、傳導後段25MHZ超標可在輸出端加共模電感，也可在開關管源極檢測電阻上套一長的導磁力合適的磁珠。

　　開關電源設計後EMI的實際整改策略--輻射部分

　　30---50MHZ 普遍是MOS 管高速開通關斷引起

　　1.可以用增大MOS 驅動電阻;

　　2.RCD 緩衝電路採用1N4007 慢管;

　　3.VCC 供電電壓用1N4007 慢管來解決;

　　4.或者輸出線前端串接一個雙線並繞的小共模電感;

　　5.在MOSFET 的D-S 腳並聯一個小吸收電路;

　　6.在變壓器與MOSFET 之間加BEAD CORE;

　　7.在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容;

　　8.PCB 心LAYOUT 時大電解電容，變壓器，MOS 構成的電路環儘可能的小;

　　9.變壓器，輸出二極體，輸出平波電解電容構成的電路環儘可能的小。

　　50---100MHZ 普遍是輸出整流管反向恢復電流引起

　　1.可以在整流管上串磁珠;

　　2.調整輸出整流管的吸收電路參數;

　　3.可改變一二次側跨接Y電容支路的阻抗，如PIN腳處加BEAD CORE或串接適當的電阻;

　　4.也可改變MOSFET，輸出整流二極體的本體向空間的輻射(如鐵夾卡MOSFET; 鐵夾卡DIODE，改變散熱器的接地點)。

　　5.增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射.

　　200MHZ 以上開關電源已基本輻射量很小，一般可過EMI 標準。

　　開關電源EMI的對策處理小結

　　1、外部構造的屏蔽處理;

　　2、產品外部的電纜線處理;

　　3、產品內部的電纜線處理;

　　4、PCB布線處理;

　　5、開關電源的振蕩頻率的選擇;

　　6、IC型號的選擇;

　　7、磁性材料的頻率和帶寬的選擇;

　　8、變壓器的選型、繞法和設計;

　　9、散熱器的接地方式的處理。