鉅大LARGE | 點擊量:2956次 | 2020年05月25日
開關電源EMC過不了的重要原因解析
電磁兼容性(EMC)是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備出現無法忍受的電磁干擾的能力。因此,EMC包括兩個方面的要求:一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境出現的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。所謂電磁干擾是指任何能使設備或系統性能降級的電磁現象。而所謂電磁干擾是指因電磁干擾而引起的設備或系統的性能下降。
EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部份,所謂EMI電磁干擾,乃為機器本身在執行應有功能的過程中所出現不利于其它系統的電磁噪聲;而EMS乃指機器在執行應有功能的過程中不受周圍電磁環境影響的能力。本文首先介紹了EMC的分類及標準,其次闡述了開關電源EMC干擾出現的原因,最后介紹了開關電源EMC過不了的重要原因,具體的跟隨小編一起來了解一下。
EMC的分類及標準
EMC(ElectromagneTIcCompaTIbility)是電磁兼容,它包括EMI(電磁騷擾)和EMS(電磁抗騷擾)。EMC含義為: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是指電磁脈沖。
EMC=EMI+EMSEMI:電磁干擾EMS:電磁相容性(免疫力)
EMI可分為傳導ConducTIon及輻射RadiaTIon兩部分,Conduction規范一般可分為:FCCpart15JClassB;CISpR22(EN55022,EN61000-3-2,EN61000-3-3)ClassB;國標IT類(GB9254,GB17625)和AV類(GB13837,GB17625)。FCC測試頻率在450K-30MHz,CISpR22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。
EN55022為RadiationTest&ConductionTest(傳導&輻射測試);EN61000-3-2為HarmonicTest(電源諧波測試);EN61000-3-3為FlickerTest(電壓變動測試)。
CISpR22(ComiteSpecialdespurturbationsRadioelectrique)應用于信息技術類裝置,適用于歐洲和亞洲地區;EN55022為歐洲標準,FCCpart15(FederalCommunicationsCommission)適用于美國,EN30220歐洲EMI測試標準,功率輻射測試標準是EN55013頻率在30MHZ-300MHz。
EN55011輻射測試標準是:有的頻率段要求較高,有的頻率段要求較低。傳導(150KHZ-30MHZ)LISN重要是差模電流,其共模阻抗為100歐姆(50+50);LISN重要是共模電流,其總的電路阻抗為25歐姆(50//50)。
EMI為電磁干擾,EMI是EMC其中的一部分,EMI(ElectronicMagneticInterference)電磁干擾,EMI包括傳導、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁干擾是由干擾源、藕合通道和接收器三部分構成的,通常稱作干擾的三要素。EMI線性正比于電流,電流回路面積以及頻率的平方即:EMI=K*I*S*F2。I是電流,S是回路面積,F是頻率,K是與電路板材料和其他因素有關的一個常數。
EMI是指產品的對外電磁干擾。一般情況下分為ClassA&ClassB兩個等級。ClassA為工業等級,ClassB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)相對要寬松的多,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,不允許出現低于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ClassA和ClassB,假如觀察的波形超過B的線但是低于A的線,那么產品就是A類的。EMS是用測試設備對產品干擾,觀察產品在干擾下能否正常工作,假如正常工作或不出現超過標準規定的性能下降,為A級。能自動重啟且重啟后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(ElectmmagneticSuseeptibilkr)電磁敏感度一般俗稱為“電磁免疫力”,是設備抗外界騷擾干擾之能力,EMI是設備對外的騷擾。
EMS中的等級是指:ClassA,測試完成后設備仍在正常工作;ClassB,測試完成或測試中要重啟后可以正常工作;ClassC,要人為調整后可以正常重啟并正常工作;ClassD,設備已損壞,無論怎么樣調整也無法啟動。嚴格程度EMI是B》A,EMS是A》B》C》D。
開關電源EMC干擾出現的原因
1、開關電路出現的電磁干擾
在開關電源的EMC設計中,工程師首先要避兔的就是從電源的開關電路中所出現的電磁干擾問題,這也是開關電源的重要干擾源之一。開關電路在結構方面重要由開關管和高頻變壓器組成,因此它出現的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。電源電壓中斷會出現與初級線圈接通時相同的磁化沖擊電流瞬變,這種瞬變是一種傳導型電磁干擾,既會影響變壓器的初級,同時還會使傳導干擾返回配電系統,造成電網諧波電磁干擾,從而影響其他設備的安全和經濟運行。
2、整流電路出現的電磁干擾
在開關電源的EMC設計中,另一個較大的電磁干擾源就是整流電路。在-一些中小型電源的整流電路中,在輸出整流二極管截止時都會有一一個反向電流,它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時,由于pN結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化。
3、高頻變壓器出現的電磁干擾
高頻變壓器在開關電源的運行過程中也同樣會不可防止的出現電磁干擾,在大型電源的產品測試過程中,這一干擾問題尤其常見。高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路有時會出現較大的空間輻射,形成輻射干擾,對電源的EMC設計有較大影響。假如電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。
4、分布電容引起的干擾
分布電容在開關電源的設計和EMC產品測試過程中,是一種非常不起眼的電磁干擾源。當開關電源工作在高頻狀態時,其紛布電容所出現的干擾是非常大的,一方面,散熱片與開關管集電極間的絕緣片接觸面積較大,且絕緣片較薄。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上,再流到機殼地,此時將會出現共模干擾。另一方面,脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容,可將原邊電壓直接耦合到副邊上,在副邊作直流輸出的兩條電源線上出現共模干擾。
開關電源EMC過不了的重要原因
1、熟透電路方可從容進行pCB設計之EMI電路
上面的電路對EMC的影響可想而知,輸入端的濾波器都在這里;防雷擊的壓敏;防止沖擊電流的電阻R102(配合繼電器減小損耗);關鍵的慮差模X電容以及和電感配合濾波的Y電容;還有對安規布板影響的保險絲;這里的每一個器件都至關重要,要細細品味每一個器件的功能與用途。設計電路時就要考慮的EMC嚴酷等級從容設計,比如設置幾級濾波,Y電容數量的個數以及位置。壓敏大小數量選擇,都與我們對EMC的需求密切相關
二、電路與EMC
上圖的電路中打圈幾部分:對EMC影響非常重要(注意綠色部分不是的),比如輻射大家都了解電磁場輻射是空間的,但基本的原理是磁通量的變化,磁通量涉及到磁場有效截面積,也就是電路中對應的環路。電流可以出現磁場,出現的是穩定的磁場,不能向電場轉化;但變化的電流出現變化的磁場,變化的磁場是可以出現電場(其實這就是有名的麥克斯韋方程我用通俗語言來說),變化的電場同理可出現磁場。所以一定要關注那些有開關狀態的地方,那就是EMC源頭之一,這里就是EMC源頭之一(這里說之一當然后續還會講到其它方面);比如電路中虛線環路,是開關管開通和關斷的環路,不僅設計電路時開關速度可以調節對EMC影響,布板走線環路面積也有著重要的影響!
三、開關器件與EMC
對器件的認識對EMC也有著重要的意義,比如MOS管,主開關MOS是很重要的EMC源頭之一,還有整流管的開通以及關斷也會出現高頻輻射(原理是電流出現磁場,變化的電流出現電場);當然這里重要是介紹半導體開關器件,其他的電感變壓器就不做說明了;
開關器件什么參數對EMC有重要影響,我們常說快管,慢管是以什么作為參照的呢?我們都了解快管開通損耗小,為了做高效率都喜歡用,但是為了EMC順利通過,不得不舍棄效率,降低開關速度來減弱開關輻射;
關于MOS管,開通速度是由驅動電阻與輸入結電容決定的;關斷速度是由輸出結電容與管子內阻決定;
參照以上兩圖,是不同型號的MOS管,比較下輸入結電容和輸出結電容,2400pF與800pF;780pF與2200pF;一看就了解第一個規格是快管,第二個是慢管,這時候決定開關速度還要與驅動電阻匹配;常規情況驅動電阻在10R-150R比較多,選取驅動電阻與結電容有關,針對快板驅動電阻可適當增大,慢管驅動電阻可適當減小;
關于二極管,有肖特基二極管,快回復二極管,普通二極管,還有一種用的比較少的SIC二極管,開關速度SIC二極管幾乎為零,等于是沒有反向恢復,開關輻射最小,并且損耗也最小,唯一的缺點就是價格昂貴,故很少用;其次就是肖特基二極管,正向壓降低,反向恢復時間短,依次是快回復和普通二極管;要在損耗和EMC之間折中;一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC;
四、EMC之濾波器
濾波器的架構選擇對濾波器的影響很重要,在不同場合,濾波器是根據阻抗匹配來達到濾波效果,大家可根據此圖的原則參考選取如何濾波;比如最常用的輸出整流橋后采用π型濾波以及輸出端采用LC濾波器;
濾波器的材質對設計濾波電感也是至關重要,采用不同初始磁導率的材質會在不同頻率段起用途,選錯材質就完全失去應有的效果;
五、EMC之反激高頻等效模型分析
先從最簡單的模型理解EMC:
EMC的路徑,當然空間輻射是跟環路有關,環路也是路徑構造成的;分析出反激高頻等效模型,幫助理解EMC形成的機理;我們的測試接收設備會從L,N端接收傳導,為了減小接收的干擾,就必須讓干擾通過地回路流通而不從L,N端口流向接收設備;這時候我們的EMI電感以及Y電容通過阻抗匹配就可以實現;另外原邊的干擾可以通過原副邊Y電容,變壓器雜散電容以及大地耦合到副邊,形成更多的回路;當然一些結電容參數,如MOS管結電容,散熱器結電容也能構成流通路徑;