揭秘开关电源EMI技术方法

2020-05-13      1018 次浏览

1.开关电源的EMI源


EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等,外部环境对开关电源的干扰重要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。


(1)功率开关管


功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态,dv/dt和di/dt都在急剧变换,因此,功率开关管既是电场耦合的重要干扰源,也是磁场耦合的重要干扰源。


(2)高频变压器


高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换,因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。


(3)整流二极管


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)出现高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.开关电源EMI传输通道分类


(一).传导干扰的传输通


(1)容性耦合


(2)感性耦合


(3)电阻耦合


a.公共电源内阻出现的电阻传导耦合


b.公共地线阻抗出现的电阻传导耦合


c.公共线路阻抗出现的电阻传导耦合


(二).辐射干扰的传输通道


(1)在开关电源中,能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线,从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析;二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子,电感线圈可以假设为磁偶极子


(2)没有屏蔽体时,电偶极子、磁偶极子,出现的电磁波传输通道为空气(可以假设为自由空间);


(3)有屏蔽体时,考虑屏蔽体的缝隙和孔洞,按照泄漏场的数学模型进行分析处理。


3.开关电源EMI抑制的9大措施


在开关电源中,电压和电流的突变,即高dv/dt和di/dt,是其EMI出现的重要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施重要基于以下两点


(1)尽量减小电源本身所出现的干扰源,利用抑制干扰的方法或出现干扰较小的元器件和电路,并进行合理布局;


(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。


分开来讲,9大措施分别是:


(1)减小dv/dt和di/dt(降低其峰值、减缓其斜率)


(2)压敏电阻的合理应用,以降低浪涌电压


(3)阻尼网络抑制过冲


(4)采用软恢复特性的二极管,以降低高频段EMI


(5)有源功率因数校正,以及其他谐波校正技术


(6)采用合理设计的电源线滤波器


(7)合理的接地处理


(8)有效的屏蔽措施


(9)合理的pCB设计


4.高频变压器漏感的控制


高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压出现的重要原因之一,因此,控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。


减小高频变压器漏感两个切入点:电气设计、工艺设计!


(1)选择合适磁芯,降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比,减小匝数会显著降低漏感。


(2)减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层,厚度20~100um,脉冲击穿电压可达几千伏。


(3)新增绕组间耦合度,减小漏感。


5.高频变压器的屏蔽


为防止高频变压器的漏磁对周围电路出现干扰,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,屏蔽带相关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出现噪声(啸叫、振动)。为防止该噪声,要对变压器采取加固措施:


(1)用环氧树脂将磁心(例如EE、EI磁心)的三个接触面进行粘接,抑制相对位移的出现;


(2)用“玻璃珠”(Glassbeads)胶合剂粘结磁心,效果更好。


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