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開關電源EMI設計經驗


1、開關電源的EMI

開關電源的EMI幹擾源集中體現在功率開關管、整流二極管、高頻變壓器等,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。

(1)功率開關管

功率開關管工作在On-Off快速循環轉換的狀態,dv/dt和di/dt都在急劇變換,因此,功率開關管既是電場耦合的主要幹擾源,也是磁場耦合的主要幹擾源。

(2)高頻變壓器

高頻變壓器的EMI來源集中體現在漏感對應的di/dt快速循環變換,因此高頻變壓器是磁場耦合的重要幹擾源。

(3)整流二極管

整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上,反向恢复电流的断续点会在电感(引线电感、杂散电感等)产生高 dv/dt,从而导致强电磁干扰。

(4)PCB

准确的说,PCB是上述干扰源的耦合通道,PCB的优劣,直接对应着对上 述EMI源抑制的好坏。

2、開關電源EMI傳輸通道分類

(一) 传导干扰的传输通道

(1)容性耦合

(2)感性耦合

(3)電阻耦合

a.公共電源內阻産生的電阻傳導耦合

b.公共地線阻抗産生的電阻傳導耦合

c.公共線路阻抗産生的電阻傳導耦合

(二) 辐射干扰的传输通道

(1)在開關電源中,能構成輻射幹擾源的元器件和導線均可以被假設爲天線,從而利用電偶極子和磁偶極子理論進行分析;二極管、電容、功率開關管可以假設爲電偶極子,電感線圈可以假設爲磁偶極子;

(2)沒有屏蔽體時,電偶極子、磁偶極子,産生的電磁波傳輸通道爲空氣(可以假設爲自由空間);

(3)有屏蔽體時,考慮屏蔽體的縫隙和孔洞,按照泄漏場的數學模型進行分析處理。

3、開關電源EMI抑制的9大措施

在開關電源中,電壓和電流的突變,即高dv/dt和di/dt,是其EMI産生的主要原因。實現開關電源的EMC設計技術措施主要基于以下兩點:

(1)盡量減小電源本身所産生的幹擾源,利用抑制幹擾的方法或産生幹擾較小的元器件和電路,並進行合理布局;

(2)通过接地、滤波、屏蔽 等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。

分開來講,9大措施分別是:

(1)减小dv/dt和di/dt(降 低其峰值、减缓其斜率)

(2)壓敏電阻的合理應用,以降低浪湧電壓

(3)阻尼網絡抑制過沖

(4)采用软恢复特 性的二极管,以降低高频段EMI

(5)有源功率因數校正,以及其他諧波校正技術

(6)采用合理設計的電源線濾波器

(7)合理的接地處理

(8)有效的屏蔽措施

(9)合理的PCB設計

4、高頻變壓器漏感的控制

高頻變壓器的漏感是功率開關管關斷尖峰電壓産生的重要原因之一,因此,控制漏感成爲解決高頻變壓器帶來的EMI首要面對的問題。

減小高頻變壓器漏感兩個切入點:電氣設計、工藝設計!

(1)選擇合適磁芯,降低漏感。漏感與原邊匝數平方成正比,減小匝數會顯著降低漏感。

(2)減小繞組間的絕緣層。現在有一種稱之爲“黃金薄膜”的絕緣層,厚度20~100um,脈沖擊穿電壓可達幾千伏。

(3)增加繞組間耦合度,減小漏感。

5、高頻變壓器的屏蔽

为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰,可采用屏 蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作,绕在变压器外部一周,并进行接地,屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环,从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。

高频变压器,磁心之间和绕组之间会发生相对位移,从而导致高频变压器在工作中产生噪声(啸叫、振动)。为防止该噪声,需要对变 压器采取加固措施:

(1)用環氧樹脂將磁心(例如EE、EI磁心)的三個接觸面進行粘接,抑制相對位移的産生;

(2)用“玻璃珠”(Glass beads)胶合剂粘结磁心,效果更好。

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