电源EMI典型路径和应对措施

360个人图书馆 发表于 2020-07-28 14:56:00 收藏 已收藏
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电源EMI典型路径和应对措施

360个人图书馆 发表于 2020-07-28 14:56:00
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开关电源以其轻、薄、小和高效率等特点广泛的应用于各类电气设备上,然而也带来了噪声干扰等危害。在开关电源向更小体积、更高频率、更大功率密度方向发展的同时,其dv/dt,di/dt所带来的EMI噪声也将会更大。在开关电源向高功率密度发展的同时,解决EMI问题的难度也在不断加大,做好电源内部的EMI设计尤其显得非常重要。

开关电源的主要干扰源集中在功率开关管、整流二极管、高频变压器、储能滤波电感等,其引发主要有五个典型路径,如下所示:

1. 高di/dt回路产生差模辐射干扰 。

2. 高dv/dt节点至地的电容耦合形成共模干扰。

3. 差模电流的传导耦合干扰。

4. 高频变压器及其寄生电容对共模噪声的耦合干扰 。

5. 整流管反向浪涌电流引起的共模干扰。

1、高di/dt回路产生差模辐射干扰

骚扰的路径为mos,变压器原边绕组到电解的环形回路。在处理无金属外壳电源的辐射问题时,此骚扰路径显得尤为重要。依据差模环天线的预测公式,在考虑地面反射的情况下;E = 2.6 I A* f *f /D(m V/m),I为骚扰电流,A为环天线的面积,f为骚扰电流频率。

由上式可见,减小环天线辐射的办法是:降低电路的工作频率;控制骚扰电流;

减小电路的环路面积。在实际常用措施中,对开关管加吸收是较有效的方法,当然,能在设计时尽量减小该路径下的回路面积才是最可取的。

2、高dv/dt节点至地的电容耦合形成共模干扰。

高dv/dt节点至地的电容耦合形成共模干扰是电源最主要的干扰源。该节点通过寄生电容对地不断充放电,寄生电容就充当了这个共模通路中的驱动电流源的角色。

开关管正常工作需要散热,一般有两种散热方式:通过绝缘垫片贴散热器散热,或者通过绝缘垫片直接贴保护地散热。从平时的经验来看,第二种散热方式的共模噪声明显强于第一种,所需的EMI滤波电路的衰减能力也更强。

如果开关管通过散热器散热,可以对散热器进行接地处理以减小对保护地的共模电流。开关管通过绝缘垫贴于散热器上,与散热器之间形成寄生电容C1。散热器由于其表面面积大,容易与机壳之间形成寄生电容C2。将散热器接电路地,如下图右,为共模电流提供一个回流路径(椭圆状回流路径)分流,流过的回路的共模电流将大大减小。

同理,也可以在电解负极加上一个Y电容,通过电容的高频低阻抗的特性,将共模骚扰电流以最短回路引回源端,减轻电源输入口EMI滤波电路的压力。

3、差模电流的传导耦合干扰。

该路径与1比较类似,只是发射的方式不同,1是以场的方式辐射,3是通过传导发射,影响到电源输入口。通常是通过EMI滤波电路来解决,当然在电解上并联一高频电容,也会将部分骚扰小回路引回源端。

4、高频变压器及其寄生电容对共模噪声的耦合干扰 。

隔离变压器是电源线抗干扰的一种常用措施,用以解决设备间的电气隔离,对于设备所经受的共模干扰也有一定的抑制作用。即便如此,由于绕组与绕组之间的寄生耦合,还是有较强的共模电流从原边流向副边。

通过增加原副边跨接电容的方式,控制共模电流的路径,减小共模环路面积(隔离电容提供更小环路面积的低阻抗通路,将共模电流引回源端),如下图所示。隔离电容选取时也需要注意安规耐压问题。

另外,通过对变压器的优化设计,会大大减小该路径上的共模电流,常见的手段有:减小原副边绕组的寄生电容;注意绕组排布顺序,减小高dv/dt接点与其它电路的耦合;条件允许的情况下对原副边绕组间增加屏蔽层,屏蔽层接原边地。

通过优化绕组排布顺序,尽量将高dv/dt和高di/dt节点远离。在左边的绕组结构图中,A、B为原边绕组的两层,C、D为副边绕组的两层,原边绕组和副边绕组主要由最靠近的A、D两层的距离和面积决定。因此如果将A、D连接到变换器中dv/dt小的接点,则由原边耦合到副边的共模电流就小一些。

尽管增加变压器绕组间距离可以减小耦合电容,但由于与减小变压器漏感存在一定矛盾,因此单独使用这一方法有时不能达到满意的效果。长期以来在工频变压器中一直应用屏蔽绕组来降低噪声与耦合,在开关变压器中这一方法同样有效。屏蔽层的接地必须接原边地,以保证从原边流向副边的共模电流通过屏蔽层返回源端,如果接副边地的话,骚扰电流从原边,经过原边绕组与屏蔽层的分布电容,直接流向副边绕组,通过副边与原边对保护地之间的分布电容,构成回路。由于分布电容的不确定性,此共模电流的路径变得非常复杂,且回路面积大,使EMI效果变得很差。

5、整流管反向浪涌电流引起的共模干扰。

可以通过增加吸收电路,对整流管的反向尖峰进行抑制;另外,可以采用低反向恢复电流的碳化硅器件,对于EMI也会有较明显的改善。

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