開關(guān)電源EMC的重要性

EMC的重要性

早在上個(gè)世紀(jì)八十年代初，美國新澤西州一家醫(yī)院產(chǎn)科病房區(qū)的嬰兒死亡率相當(dāng)高。深夜，監(jiān)視嬰兒的監(jiān)視器上的警示燈總是無緣無故地熄滅。對(duì)此，護(hù)士們很惱火，于是她們將監(jiān)視器關(guān)閉，來回逐一巡視。

經(jīng)過一番初步調(diào)查后，教授查明了這件事情的真相，原來附近一電視臺(tái)的發(fā)射機(jī)得到美國通信委員會(huì)的許可，在大約午夜后可將其輸出功率提高得相當(dāng)高，但必須在早上六點(diǎn)前，或其它指定的時(shí)間，恢復(fù)到原來的水平。護(hù)士站與每個(gè)嬰兒的監(jiān)視器間的連接電纜在這些干擾頻率處發(fā)生諧振，感應(yīng)的電壓而使監(jiān)視器警示燈熄滅。醫(yī)院在發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題之前，已有差不多六名小孩死亡。

再有一個(gè)例子： 有這樣的一個(gè)客戶投訴反應(yīng)，當(dāng)在機(jī)房內(nèi)開啟一臺(tái)開關(guān)電源時(shí)，該公司的100M速度的局域網(wǎng)出現(xiàn)速度下降并停止的現(xiàn)象，而10M速度的網(wǎng)絡(luò)卻沒有受影響。關(guān)掉電源，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。

后經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該開關(guān)電源的高頻干擾信號(hào)藕合到網(wǎng)絡(luò)線上，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。

EMC 發(fā)展的歷史：EMC 其實(shí)是伴隨著近代電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展而誕生的。到上個(gè)世紀(jì)末，隨著電子、電氣設(shè)備的急劇增加。EMC 已經(jīng)擴(kuò)展到眾多的領(lǐng)域，可以毫不夸張的說：哪里有電子產(chǎn)品，哪里就有EMC問題。西方國家對(duì)此的要求也越來越苛刻，EMC 已成為發(fā)展中國家電子產(chǎn)品進(jìn)入西方市場的貿(mào)易壁壘之一。

對(duì)企業(yè)來講，不同的EMC設(shè)計(jì)概念，會(huì)導(dǎo)致不同的成本和時(shí)間上的浪費(fèi)。

EMC的內(nèi)容

●基本概念：

★EMC(電磁兼容性)：Electromagnetic Compatibility

★EMI(電磁干擾):Electromagnetic Interference

★EMS(電磁抗擾性)：ElectromagneticSusceptibility

★ESD（靜電）：Electrostatic Discharges

★RS（輻射抗干擾）：Radiated Susceptibility

★EFT(電快速瞬變脈沖群)： Electronic fast transients

★SURGE(雷擊浪涌)

★CS(傳導(dǎo)抗干擾)：Conducted Susceptibility

●EMC =EMI +EMS

★EMI = Conduction（ Harmonic） +Radiation

★EMI 三要素：下為系統(tǒng)級(jí)的，請(qǐng)大家想想PCB級(jí)的。

開關(guān)電源 EMI 探討

●EMI 產(chǎn)生的根源：

★第一、開關(guān)電源的最大缺點(diǎn)是因切換動(dòng)作（TURN-ON或TURN OFF）產(chǎn)生雜訊電壓為其雜訊源。因切換動(dòng)作的波形為方波，而方波含有很多高次諧波。（ dv/dt）

★第二、由于開關(guān)電晶體的非線性及二極體的反向恢復(fù)特性，電流作快速的非線性變化引起雜訊。 （di/dt）

●EMI的傳播方式和途徑：

★EMI干擾信號(hào)按其特性可分為共模信號(hào)（COMMON MODE）和差模信號(hào)（DIFFERENTIAL MODE）。

★共模信號(hào)：干擾信號(hào)電流的在兩條回路的導(dǎo)線上的電流方向相對(duì)大地是相同的信號(hào)，稱為共模信號(hào)，見下左圖；

★差模信號(hào)：干擾信號(hào)電流的在兩條回路的導(dǎo)線上的電流方向相對(duì)大地是相反的信號(hào)，稱為差模信號(hào)，見下右圖。

●常用低通濾波結(jié)構(gòu)的劃分

●電源輸入濾波器的設(shè)計(jì)：

★共模差模分開設(shè)計(jì)（以π型為例）

★濾波器共模部分設(shè)計(jì)

★濾波器差模部分設(shè)計(jì)

●濾波器的安裝：

●共模電感的繞制

共模扼流圈中的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場相互抵銷，因此磁芯不會(huì)飽和。

●磁珠阻抗

注意：共模電感和磁珠 需要測量溫升!!

拓?fù)銭MI 分析舉例

Flyback 架構(gòu)EMI 分析

●Flyback架構(gòu)的高頻等效模型

●Noise 源：

大的di/dt和dv/dt 產(chǎn)生的地方，對(duì)Flyback架構(gòu)來說，會(huì)產(chǎn)生這些變化的主要有：

★變壓器TX1；

★MOSFET Q1 ；

★輸出二極管D1；

★芯片的RC振蕩；

★驅(qū)動(dòng)信號(hào)線；

Q1 上 Vds 的波形

MOSFET 動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的Noise ：如 上圖所示，主要來自三個(gè)方面：

①M(fèi)osfet開通、關(guān)斷時(shí)，具有很寬的頻譜含量，開關(guān)頻率的諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源。

②關(guān)斷時(shí)的振蕩 1產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

③關(guān)斷時(shí)的振蕩 2產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

開關(guān)管 Q1關(guān)斷，副邊二極管D1導(dǎo)通時(shí)（帶載），原邊的勵(lì)磁電感被鉗制，原邊漏感Lep的能量通過Q1的寄生電容Cds進(jìn)行放電，主放電回路為Lep—Cds—Rs—C1—Lep，此時(shí)產(chǎn)生振蕩振蕩的頻率為：

在Lep上的振蕩電壓Vlep迭加在2Vc1上，致使Vds=2Vc1+Vlep 。振蕩的強(qiáng)弱，將決定我們選取的管子的耐壓值、電路的穩(wěn)定性。

量測Lep=6.1uH, Q1為2611查規(guī)格書可得Coss=190pF（Coss近似等于Cds）,而此充電板為兩個(gè)管子并聯(lián)，所以Cds=380pF 。由上式可求得f =3.3 MHz，和下圖中的振蕩頻率吻合。

從圖中可看出 此振蕩是一衰減的振蕩波，其初始的振蕩峰值決定于振蕩電路的Q值：Q值越大，峰值就越大。Q值小，則峰值小。為了減小峰值，可減小變壓器的漏感Lep,加大Cds和電路的阻抗R。而加入Snubber電路是 極有效之方法。

振蕩2發(fā)生在Mosfet Q1關(guān)斷，副邊二極管由通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，原邊勵(lì)磁電感被釋放(這時(shí)Cds被充至2Vc1)，Cds和原邊線圈的雜散電容Clp為并聯(lián)狀態(tài)，再和原邊電感Lp（勵(lì)磁電感和漏感之和）發(fā)生振蕩。放電回路同振蕩1。振蕩頻率為：

在Lp上的振蕩電壓Vlp迭加在Vc1上，致使Vds=Vc1+Vlp 。量測Lp=0.4mH；Q1為2611，查規(guī)格書可得Coss=190pF（Coss近似等于Cds）,而此充電板為兩個(gè)管子并聯(lián)，所以Cds=380pF；Clp在200KHz時(shí)測得為Clp=1.6nF。由上式可求得：f =178.6KHz，和下圖中190.5K吻合。

●我們可實(shí)行的改善措施有兩個(gè)：

★1、減小Noise的大小；

★2、切斷或改善傳播途徑。

1.減小Noise 的大小：

首先考慮以下三個(gè)方面：

①M(fèi)osfet、Diode動(dòng)作時(shí)，具有很寬的頻譜含量，開關(guān)頻率的諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源。

措施：在滿足所要求的效率、溫升條件下，我們可盡量選開關(guān)較平緩的管子。而通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻也可達(dá)到這一目的。

②Q1、D1 的振蕩 1會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

措施：

*對(duì)寄生電容Cds、Cj 的處理：在Q1的ds極、二極管的兩端各并上一681小電容，來降低電路的Q 值，從而降低振蕩的振幅A，同時(shí)能降低振蕩頻率f。需注意的是：此電容的能量1/2Cu2將全部消耗在Q1上，所以管子溫升是個(gè)問題。解決的辦法是使用RC snubber, 讓能量 消耗在 R上。同時(shí)R能起到減小振幅的作用。

*對(duì)變壓器的漏感Le的處理：

1、變壓器采用 三明治 繞法，以減小漏感。

2、在變壓器的繞組上加吸收電路。

3、減小Q1 D極到變壓器的引線長度。（此引線電感和漏感相迭加）采取上述 措施降低振蕩 1的影響之后得下圖。

③： Q1 D1 上的振蕩 2 會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)干擾。

分析方法和②相同，但此時(shí) 電感已變得很大了（主要為為勵(lì)磁電感），因此漏感和引線電感對(duì)③的影響相對(duì)較小。

同樣從上面的分析中，可看出Nosie 的傳播途徑主要是通過變壓器的雜散電容Ctx；

Mosfet/Diode到散熱片的雜散電容Cm/Cd；及散熱片到地的雜散電容Ce等途徑而耦合到LISN被取樣電阻所俘獲。

措施一：在Rs的地端和C2的地間接一個(gè)Y電容（４７２）。

原理分析：它的作用是雙重的，一是為Mosfet動(dòng)作產(chǎn)生且串到變壓器副邊的noise 電流（如I4）,提供一個(gè)低阻抗的回路，減小到地的電流。二是為二次側(cè)Diode產(chǎn)生的且串到變壓器原邊的noise 電流提供低阻抗回路，從而減小流過LISN的電流。

其效果如下圖：紅色為：未改善之前；藍(lán)色為：采取措施之后

措施二：變壓器加法拉第銅環(huán)：

變壓器是Noise傳播的主要通道之一，其中初級(jí)線圈和次級(jí)線圈間雜散電容Ctx是重要因素。而在變壓器內(nèi)部加法拉第銅環(huán)是減小Ctx 的有效的方法之一。

措施三：散熱片接Rs的地端：

目的為了將 散熱片－Ce—地－LISN這一支路 旁路掉，從而減小到地的電流。其效果如下圖：可看出，在低頻時(shí)較有效；在高頻時(shí)， 效果不明顯，這主要是因?yàn)樵诟哳l時(shí)，管腳直接對(duì)地的電容已有相當(dāng)?shù)淖饔谩?/span>

紅色為：散熱片未接地；藍(lán)色為：散熱片接地

當(dāng)綜合上述所有措施后，EMI總效果對(duì)比如圖所示：

紅色為：未采取措施前；藍(lán)色為：綜合上述措施后

國際認(rèn)證體系簡介

●歐洲地區(qū) :

認(rèn)證EMC MarkEMC

Standard分為EMI (電磁干擾測試) & EMS (電磁相容測試) 兩部分：

★1. EMI部分為 EN55022, EN61000-3-2, EN61000-3-3；

★2. EMS部分為 EN55024 內(nèi)含7項(xiàng)測試:

EN55022為Radiation Test & Conduction Test (傳導(dǎo) & 幅射測試);

EN61000-3-2為Harmonic Test (電源諧波測試);

EN61000-3-3為Flicker Test (電壓變動(dòng)測試)

EN61000-4-2為ESD Test (靜電測試);

EN61000-4-3為RS Test EN61000-4-4為EFT Test (電子快速脈衝測試);

EN61000-4-5為Surge Test (雷擊測試)

EN61000-4-6為CS Test (傳導(dǎo)耐受度測試);

EN61000-4-8為PFMF Test EN61000-4-11為DIP Test (電壓突降測試)

●美洲地區(qū):

認(rèn)證EEMI Mark FCC (強(qiáng)制性)

Standard FCC Part 15 (EMI 電磁干擾測試)

申請(qǐng)方式

1. Class A 自我認(rèn)証

2. Class B DOC 自我認(rèn)証方式

3. Class B 經(jīng)由TCB認(rèn)証, 取得FCC ID Number

<注> 以前ITE產(chǎn)品可直接送FCC認(rèn)証, 取得FCC ID, 但自2000/11/15起FCC已不再認(rèn)証, 授權(quán)由TCB 發(fā)ID Number, 而TCB只接受美國當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室所送案件, 用意在鼓勵(lì)其他地區(qū)以DOC方式認(rèn)証.

<注> 所謂自我認(rèn)証, 即經(jīng)由合格實(shí)驗(yàn)室測試完成后發(fā)行Test Report, 申請(qǐng)公司取得報(bào)告后于宣告信簽名即可.