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EMI常规知识以及在开关电源中使用

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标签: EMI

EMI是指电子产品工作会对周边的其他电子产品造成干扰,与此关联的还有EMC规范。是电子电器产品经常遇上的问题。干扰种类有传导干扰和辐射干扰。

开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

EMI常规知识以及在开关电源中使用:1 EMI 常识在开关电源中,功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快速的变化是产生EMI的主要原因。在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较高的电压尖峰:u Ldi dt L L = /在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较高的电流尖峰:磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和电容直接相关。直观的理解, 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的噪声,从而减小EMI干扰。1.1 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt减小电压率du/dt和电流变化率di/dt可以通过以下的方法来实现:改变栅极的电阻值和增加缓冲吸引电路,如图2和图3所示。增加栅极的电阻值可以降低开通时功率器件的电压变化率。图3中,基本的RCD箝位电路用于抑止由于变压器的初级漏感在开关管关断过程中产生的电压尖峰。L1,L2 和L3可以降低高频的电流的变化率。L1和L2只对特定的频带起作用。L3对于工作于CCM模式才有效。 R1C1,R2C2,R3C3,R4C4 和 C5可以降低相应的功率器件两端的高频电压的变化率。所有的这些缓冲吸引电路都需要消耗一定功率,产生附加的功率损耗,降低系统的效率;同时也增加元件的数日和PCB的尺寸及系统的成本,因此要根据实际的需要选择使用

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EMI 及无 Y 电容手机充电器的设计 Adlsong 摘要:本文首先介绍了关于 EMI 常规知识以及在开关电源中使用的 各种缓冲吸引电路然后介绍了在 EMI 中和传导相关的共模及差模 电流产生的原理,静点动点的概念,并详细的说明了在变压器的结 构中使用补偿设计的方法最后介绍了 EMI 的发射产生的机理和频 率抖动及共模电感的设计 目前,Y 电容广泛的应用在开关电源中,但 Y 电容的存在使输入和 输出线间产生漏电流具有 Y 电容的金属壳手机充电器会让使用者 有触电的危险,因此一些手机制造商目前开始采用无 Y 电容的充电 器然而摘除 Y 电容对 EMI 的设计带来了困难具有频抖和频率调 制的脉宽调制器可以改善 EMI 的性能,但不能绝对的保证充电器通 过 EMI 的测试,必须在电路和变压器结构上进行改进,才能使充电 器满足 EMI 的标准 1 EMI 常识 在开关电源中,功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快 速的变化是产生EMI的主要原因 在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较 高的电压尖峰: u 在......

EMI 及无 Y 电容手机充电器的设计 Adlsong 摘要:本文首先介绍了关于 EMI 常规知识以及在开关电源中使用的 各种缓冲吸引电路。然后介绍了在 EMI 中和传导相关的共模及差模 电流产生的原理,静点动点的概念,并详细的说明了在变压器的结 构中使用补偿设计的方法。最后介绍了 EMI 的发射产生的机理和频 率抖动及共模电感的设计。 目前,Y 电容广泛的应用在开关电源中,但 Y 电容的存在使输入和 输出线间产生漏电流。具有 Y 电容的金属壳手机充电器会让使用者 有触电的危险,因此一些手机制造商目前开始采用无 Y 电容的充电 器。然而摘除 Y 电容对 EMI 的设计带来了困难。具有频抖和频率调 制的脉宽调制器可以改善 EMI 的性能,但不能绝对的保证充电器通 过 EMI 的测试,必须在电路和变压器结构上进行改进,才能使充电 器满足 EMI 的标准。 1 EMI 常识 在开关电源中,功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快 速的变化是产生EMI的主要原因。 在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较 高的电压尖峰: u 在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较 高的电流尖峰: i Cdu Ldi / dt = / dt = L C C L 图 1: Mosfet 电压电流波形 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和 电容直接相关。直观的理解, 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt及 减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的 噪声,从而减小EMI干扰。 1.1 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt可以通过以下的方法来实现:改 变栅极的电阻值和增加缓冲吸引电路,如图2和图3所示。增加栅极 的电阻值可以降低开通时功率器件的电压变化率。 R1 D R2 图 2: 栅极驱动电路 图3中,基本的RCD箝位电路用于抑止由于变压器的初级漏感在开关 管关断过程中产生的电压尖峰。L1,L2 和L3可以降低高频的电流的 变化率。L1和L2只对特定的频带起作用。L3对于工作于CCM模式才 有效。 R1C1,R2C2,R3C3,R4C4 和 C5可以降低相应的功率器件 两端的高频电压的变化率。 所有的这些缓冲吸引电路都需要消耗一定功率,产生附加的功率损 耗,降低系统的效率;同时也增加元件的数日和PCB的尺寸及系统 的成本,因此要根据实际的需要选择使用。 图 3: 缓冲吸引电路 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 1.2 减小寄生的电感和电容值 开关器件是噪声源之一,其内部引线的杂散电感及寄生电容也是噪 声耦合的通道,但是由于这些参数是器件固有的特性,电子设计和 应用工程师无法对它们进行优化。寄生电容包括漏源极电容和栅漏 极的Miller电容。 变压器是另外一个噪声源,而初级次级的漏感及初级的层间电容、 次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道。初 级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低,增大变压器 骨架窗口的宽度可在减小绕组的层数。分离的绕组如初级采用三明 治绕法可以减小初级的漏感,但由于增大了初级和次级的接触面 积,因而增大了初级和次级的耦合电容。采用铜皮的Faraday屏蔽可 以减小初级与次级间的耦合电容。Faraday屏蔽层绕在初级与次级之 间,并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地。Faraday屏蔽 层使初级和次级的耦合系数降低,从而增加了漏感。 2 传导干扰 2.1 LISN EMI测试由传导干扰CE和辐射干扰RE组成,这两种噪声分开的检测 和评价。对于不同的应用,不同的地区和国家都有相应的标准,这 些标准对于频段的宽度和限制值都作了十分明确的定义。例如对于 手机充电器属于FCC15/EN55022 CLASS B,传导干扰测量的频率范 围 为 0.15MHz 到 30MHz , 辐 射 干 扰 测 量 的 频 率 范 围 为 30MHz 到 1GHz 。具体的内容可以参考相关的标准FCC,CIRPR和EN等。 传导干扰指在输入和输出线上流过的干扰噪声,测试的方法见图4所 示。待测试的设备EUT通过阻抗匹配网络LISN(或人工电源网络) 连接到干净的交流电源上。 LISN的作用如下: 图4: LISN 及EUT测试 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 1) 隔离待测试的设备EUT和交流输入电源,滤除由输入电源线引入 的噪声及干扰。 2) EUT产生的干扰噪声依次通过LISN内部的高通滤波器和50 Ω电 阻,在50 Ω电阻上得到相应的信号值送到接收机进行分析。 由图4可见:EUT放置在绝缘的测试台上,测试台下部装有接地良好 的铁板,测试台及铁板的尺寸和安装都在特定的规定。 传导干扰来源于差模电流噪声和共模电流噪声,这两种类型的噪声 干扰见图5所示。Y电容直接和传导干扰相关。 图5: 差模电流和共模电流 差模电流在两根输入电源线间反方向流动,两者相互构成电流回 路,即一根作为差模电流的源线,一根作为差模电流的回线。共模 电流在两根输入电源线上同方向流动,它们分别与大地构成电流回 路,即同时作为共模电流的源线或回线。 2.2 变压器模型 变压器所包含的寄生电容的模型见图6中所示。 ① Cp: 初级绕组的层间电容。 ② Coe: 输出线到大地的电容。 ③ Cme: 磁芯到大地的电容。 ④ Ca: 最外层绕组到磁芯的电容。 ⑤ Ct: 辅助绕组到次级绕组的电容。 ⑥Cs: 初级绕组到次级绕组的电容. ⑦ Cm: 最内层初级绕组到磁芯的电容。 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 图6: 变压器寄生电容 2.3 差模电流 差模电流噪声主要由功率开关器件的高频开关电流产生。 ① 功率器件开通 在功率器件开通瞬间存在电流的尖峰,图7所示。 图7: 开通电流尖峰 开通电流尖峰由三部分组成: (1) 变压器初级绕组的层间电容充电电流。 (2) MOSFET漏源极电容的放电电流。 (3) 工作在CCM模式的输出二极管的反向恢复电流。 开通电流尖峰不能通过输入滤波的直流电解电容旁路,因为输入滤 波的直流电解电容有等效的串联电感ESL和电阻ESR,这样就产生的 差模电流在电源的两根输入线间流动。注意:MOSFET漏源极的电 容的放电电流对差模电流噪声无影响,但会产生辐射干扰。 ------------------------------------ Adlsong AN --------------------------------------------
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