散熱器形狀對(duì)傳導(dǎo)騷擾的EMC測(cè)試案例

本文主要針對(duì)散熱器形狀對(duì)傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的影響進(jìn)行舉例分析。

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現(xiàn)象描述

某充電器產(chǎn)品在進(jìn)行電源端口的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果超過(guò)EN55022標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 CLASS B限值，其幅頻曲線如下圖所示：

究竟是什么原因?qū)е碌哪?？具體問(wèn)題要具體：

因?yàn)槭请娫炊丝诘膫鲗?dǎo)騷擾測(cè)試，所以要首先檢查電源端口電路和布局。

根據(jù)超標(biāo)頻率，確定干擾源來(lái)源。

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原因分析

本產(chǎn)品是充電器，其中最重要的電路為開(kāi)關(guān)電源電路，最大的傳導(dǎo)騷擾可能來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源。

眾所周知，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，其主要的干擾源為開(kāi)關(guān)管和變壓器。

其干擾原理如下：

首先，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈兩端會(huì)產(chǎn)生浪涌尖峰電壓。

開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁，這些本來(lái)本來(lái)可以傳遞到次級(jí)線圈的能量將和集電極電路中的等效電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，和關(guān)斷電壓疊加，從而形成關(guān)斷電壓尖峰，如下圖所示。

這種干擾電壓噪聲會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)到達(dá)電源的輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾。

開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率是一定的，這個(gè)開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生諧波，例如，本產(chǎn)品開(kāi)關(guān)電源的基頻為150kHz，其頻譜圖如下所示，從圖中可以看出有很多150kHz整數(shù)倍的諧波信號(hào)產(chǎn)生。

基頻的諧波信號(hào)產(chǎn)品的諧波電平幅度隨頻率的關(guān)系如下圖所示，這些諧波電平會(huì)傳遞到電源線上形成傳導(dǎo)騷擾，從前面測(cè)試超標(biāo)的頻譜圖也正好驗(yàn)證了超標(biāo)的頻點(diǎn)來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源。

對(duì)于這種傳導(dǎo)騷擾該如何解決呢？通常操作就是控制騷擾源的路徑。

在開(kāi)關(guān)電源中，由于功率開(kāi)關(guān)管功耗往往較大，所以常常會(huì)安裝散熱器進(jìn)行散熱。

散熱器的位置一般選擇和開(kāi)關(guān)管貼合，這樣，在散熱器和開(kāi)關(guān)管分布電容的影響下，干擾會(huì)耦合到散熱器上，使得散熱器也成為了騷擾源中的一部分。下圖說(shuō)明了散熱器對(duì)EMI的影響的原理：

散熱器面積一般較大，容易與PCB中的信號(hào)線、器件、電源線、地平面等形成較大的寄生電容，從而成為傳導(dǎo)騷擾的關(guān)鍵路徑。

大家千萬(wàn)不要小看這些寄生電容，以上圖（a）為例，若CS1=0.1pF，US1=300V，當(dāng)頻率為基頻150kHz時(shí)，LISN測(cè)得的傳導(dǎo)騷擾電壓將會(huì)達(dá)到1400uV，這個(gè)值遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EN55022中規(guī)定的CLASS B的限值（150kHz 630uV）。

以圖（b）為例，若CS2=0.1pF，US2=300V ,當(dāng)頻率為基頻150kHz時(shí)，LISN測(cè)得的傳導(dǎo)騷擾電壓將會(huì)達(dá)到700uV，這個(gè)值也超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EN55022中規(guī)定的CLASS B的限值。

平面間的耦合電容CS可以通過(guò)如下公式來(lái)估算：

CS=Ci+Cp

其中 Ci為固有電容，Cp為平面電容，單位為pF，

Ci=35*D

Cp=9*S（m2）/H?

D 為平面對(duì)角線長(zhǎng)度，單位為m

H為兩個(gè)平面的距離，單位為m

兩塊金屬板面積均為10cm*20cm，則D=0.22m，S=0.02m2

兩個(gè)金屬板距離H=10cm

則可以得到:

Ci=35*0.22=7.7pF

Cp=9*0.02/0.1=1.8pF

平面間耦合電容CS=7.7pF+1.8pF=9.5pF

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，為了防止散熱器成為懸空的金屬片，避免其變成輻射源，同時(shí)旁路掉噪聲，通常會(huì)將散熱器進(jìn)行接PE或者功能地。

在本案例中，雖然散熱器已經(jīng)接了功能地，但是從下圖中可以發(fā)現(xiàn)，散熱器的面積比較大，并一直延伸到電源入口處，并覆蓋了電源輸入端共模電感Lx以及濾波電容C2。

因?yàn)樯崞骱?a target="_blank">共模電感以及濾波器電容距離較近，所以會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的寄生電容，這樣開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的騷擾通過(guò)寄生電容耦合或者直接傳導(dǎo)的形式到達(dá)散熱器中，散熱器又通過(guò)寄生電容耦合到電源入口處，從而在導(dǎo)線上可以測(cè)到騷擾信號(hào)，而本應(yīng)起到濾波作用的共模電感和濾波電容也失去了原本的作用。?

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處理措施

通過(guò)以上分析，修改散熱器形狀，使其不和Lx和濾波電容C2耦合，從而切斷了騷擾源和前級(jí)電路的耦合路徑，如下圖所示：

修改之后，重新測(cè)試，測(cè)試通過(guò)，其測(cè)試頻譜圖如下所示：

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思考和啟示

經(jīng)過(guò)上面的分析，我們可以得到如下啟示：

散熱器雖然不是電子器件，本身不會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，但是如果安裝不當(dāng)，往往會(huì)成為傳播騷擾信號(hào)的收發(fā)器，特別是在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，尤其要注意其形狀和安裝方法。

編輯：黃飛