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开关电源EMI设计小结

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2007-09-04    
1.开关电源的EMI源

开关电源的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主要来自电网的抖动、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主要干扰源,也是磁场耦合的主要干扰源.

(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)产生高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). 传导干扰的传输通道

(1)容性耦合

(2)感性耦合

(3)电阻耦合

a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合

b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合

c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合

(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,产生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产生的主要原因.实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点:

(1)尽量减小电源本身所产生的干扰源,利用抑制干扰的方法或产生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产生的重要原因之一,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)增加绕组间耦合度,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产生干扰,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,屏蔽带相对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产生噪声(啸叫、振动).为防止该噪声,需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,抑制相对位移的产生;

(2)用“玻璃珠”(Glass beads)胶合剂粘结磁心,效果更好. 
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