开关电源高频电磁波干扰概论-解析

. . . . 开关电源高频电磁波干扰概论解析一 虽然关于EMI的书和资料非常多，但根本都是针对设备级的，针对开关电源的很少，有个别书和资料虽然写着开关电源的名字，但由于作者并非电源设计人员，所以就变成了标准汇编。针对开关电源的目前就是这个开关电源高频电磁波干扰概论，非常经典，是大学的两位教授写的。但我也没有听过作者讲解，所以只能凭自己的理解和大家讨论。这个资料在本有人上传，可以下载。 这个是说EMI的传播过程，干扰源干扰途径接收器，就向传染病：传染源传染途径易感人群。 对于开关电源来说，最后一局部是不需要考虑的，干扰源也不能消灭，因为它也是开关电源之所以能工作的源头，但是可以通过软开关、加缓冲等方式来使干扰源的干扰小一些。控制干扰途径是降低开关电源EMI的重要一环，也是本讲义的重点讲解之处。 信号源波形产生的频谱 电压波形产生的频谱 电流波形产生的频谱 大家从中能发现什么？ ·  占空比和波形斜率的影响 占空比越大时，干扰的幅度也大一些，这个可由FFT的系数算出来。 波形的斜率对干扰的高频局部影响非常大。低频局部几乎没有影响。低频局部主要由波形的幅度和高电平局部的宽度决定的，但高频局部大幅度下降的转折点为1/(3.14*tr),所以tr越大时，转折点的频率越低，高频下降越大。所以我们应该想到降低斜率的措施，缓冲电路。  ··此局部的总结：电压和电流波形都有很丰富的频率成分超过200M时由于幅值已经很低，所以影响很小波形影响低频局部上升沿和下降沿影响高频局部占空比对个频谱幅值有一点影响  下以局部13-42页，介绍的容比拟杂，有传导和辐射的场地、设备的放置，Log的概念等。 重点说一下这个图，这个介绍的是干扰的耦合途径，左边为传导干扰，右边为辐射干扰。辐射分为远场和近场。 一般用蝶型天线辐射测量只测量电场，而不是磁场，磁场是用大圆环来测量的，灯具常用。电场除了直接辐射到天线外，还可能辐射到地面再反射到天线，天线承受到的是直射波和反射波的矢量合成，所以需要上下移动寻找最大合成量。除此以外，由于电磁波有极化，所以天线需要改变方向以检测最大值一般只测试水平和垂直。   不同意cmg近远场的说法。近远场的过渡点是 /2 (/6) ，不是，30MHz来说，是1.6米，因为最小测距是3米，所以整个测试频谱都是远场。  这些都是凭记忆的，再查一下书，确实有个K项，你，改正了我不少错误。看来我需要更严谨一些，为了大家的方便，我会把上面的帖子修改一下。 LISN网络。 LISN网络是用来拾取噪音的。差模噪音会在Line1-Line2之间流动，经过50欧姆电阻拾取。共模电流经过下面的地线再通过50欧姆的电阻回到电源，共模噪音也是经过50欧姆电阻拾取。50uH电感和10uF电容是用来阻止电网的干扰进入被测电源和防止被测的噪音跑到外面去。0.25uF的电容保证只有交流噪音信号可以流过去。在150KHz频率以上时其阻抗很小，近似短路。 LISN的原理并不复杂，但是为什么进口的LISN都是超大超贵呢？国产的单相LISN打开看过，很简单，而且用的电感很小，感觉会饱和，所以自己换了。RS的只在实验室见过，但不知道里面都是些什么。 线对线差模和线对地共模的噪音检测。  都是通过测量50欧姆电阻的电压信号来检测的，但仪器并不会区分差模和共模，实际为两个信号的矢量叠加个人意见，仪器里面我不清楚。 ·· 两种辐射测试： 场强辐射测试，通过组合天线来测量辐射的电场强度，蝶型天线两个耳朵测量30-300MHz，对数天线测量300-1GHz，对开关电源来说，主要是耳朵测量，300MHz以后一般电源辐射很小。 功率辐射测试吸收钳，这个一般带长引线的设备需要做这个试验，如DVD等。有效检测局部只有前面的一个环，后面是做吸收用的，围30-300MHz。共模电流通过高频变压器后送到检测设备。  1。CM和DM的分隔，用CM/DM Spitter (其实是个变压器)。LISN的两个输出接入Splitter后分别输出CM和DM信号。2。Biconical antenna 一般叫双锥型天线，像两个搅蛋器。蝶型天线是Bow-tie Antenna，就两个平面三角形，电视机的室天线，有时也用它。两者是不同的。 我虽然以他的讲义为根底，但并不是全部照本宣科。在实际测辐射的天线是两个三角形的耳朵对数。按你上面的描述是蝶型的，所以不是锥形的。我说的是仪器里面应该是不区分的。自己区分方法很多，并不需要特别的东西，我们的方法是用10个0.22的X电容接到电源的输入端。差模几乎就没有了，对实际测试非常有用，又不花钱。 我说的是标准实验室的仪器，自家炮制的未尝不可。到过几个Lab site，倒未见过有用蝶型天线的，全是双锥的，包括经我买的。不过是以前的事了，相信现在多用混合型天线，就是蝶型连对数的，毕竟蝶型是压扁了的锥型，刚谷歌了一下。- 真是好奇怪，的实验室我去过很多，还未见过锥形的，前几天刚去过计量院，也是蝶型的。计量院不可能不是标准实验室吧。记忆华，信测，质检中心，北南也是蝶型的。5所很多年没去了，记不清楚了。 很久没去Lab了，是以前的印象，相信蝶型现在是主流了，我也落后了。 下面几页说的是峰值、准峰值和平均值在仪器部的测试方法，不是我们关心的重点。 从上面可以看出看原文，3中检测主要是包络检波的冲放电时间常数不一样。标准要求测试的是QP和AV。但由于扫描时间过长，一般摸底是用PK和QP测量。·  这个图告诉我们，在电源里面两个别离的物体是有电容效应的，当有交流信号时，就会有电流流过。在电源里面相对并有电压变化的物体是很多的，如漏极和次级；漏极和初级的L，N线等，它们都会引起电流流动，被LISN检测到就是EMI干扰。仿真的结果和实际是根本上相符的。·  看不见的耦合感性耦合，第一个图描述了两个电路，前面是个振荡电路，后面就是上面容性耦合的电路，看似两个电路不相干，但是由于距离比拟近，两个电路会通过磁场耦合，就向一个变压器一样，互感的公式如第二个图所示，随两个电路的距离增大而减小，随振荡电路面积r为代表的增大而增大。·  第一幅图把上面的计算电感等效的变压器带入电路里面，第二幅图是测量和模拟的结果，可以看到互感的模型是很正确的，感性耦合确实向变压器一样。这样的耦合在开关电源里面比比皆是，向反激里面的高压电容、变压器初级和开关管组成的环路，变压器初级嵌位电路形成的环路，次级整流管形成的环路。除了常见的这3个外其实还有很多，如初级、次级和Y电容组成的环路，变压器初级、初级和屏蔽层的电容与屏蔽层的电感组成的环路等。 容性耦合的一个例子： 这个例子是说漏极和输入的接线端有一个耦合，尽管电容很小(0.1pF)，但由于漏极电压高，差模干扰还是会超过标准。 这个很容易理解。不再赘述。  大师,我有个疑问,平行板电容器的电容量不是和它的正对面积有关吗?可第一个图和第二个图上正对面积是一样的,怎么会有C1<<C2呢? 容性耦合的另一个例子：此处的例子是指漏极和地的电容，漏极虽然很小，但地很大，虽然传导并不要求屏蔽室，在实际的EMI测试中还是在一个屏蔽的屋子里面，这实际上加大了图中的Cs。同样由于电压高，假设Cs很小，实际测试的干扰实际为共模也会超标。 根据以上的分析得出减少容性耦合的一个方法，就是减小高压点的面积，从而减小电容。 中间的图由于高压局部的面积大而被认为Wrong。其实最右边的图也不是很好，最好往左边靠。 此处介绍的PCB的布线规那么。线的面积尽量小，当然要满足电流的要求，平衡走线，这样两线对高压点的电容是平衡的，容性干扰会对消。输入局部尽量远离MOS的漏极。漏极的面积尽量小。 经大师一讲,形象多了. 感性耦合的例子：这个例子描述的噪音源的一端和输入的差模滤波的回路有一个耦合，尽管耦合电感很小，但由于噪音源电流大，并且差模滤波回路阻抗很小，所以干扰还是可能超标。 自感影响的例子，由于X电容本省有自感存在，当它滤除差模电流时本省的自感也产生干扰电压，引起差模电流流动，这就是非理想器件造成干扰的原因。 PCB布线规那么，减小感性耦合，方法根容性耦合差不多，好的布线对两个方法都有用。好的布线：环路面积小，环路之间距离要远，节点端为容性端。 到此为止，容性耦合和感性耦合的容就完了。为了防止打开太慢，重开一帖。请看开关电源高频电磁波干扰概论解析三.21dianyuan./bbs/bbshome/newrevert.php?tid=2332&rid=61 同时做一个调查，大家认为这些容有没有帮助？这些决定三之后还要不要继续。 ·· 28楼 · xuanya · | 本网技师 (205) | 发消息  大师，上面所说的漏极面积指的是MOS的D 电阻，电容，MOS的回路面积还是其他什么  开关纹波电流的影响，开关电流会在其左边的电路局部的输入阻抗上形成电压，当然会有电流流过LISN的检测电阻，从而被测到EMI电流，由于是在两根线间流动的，所以是差模电流。这种电路的计算是很复杂的，还好有仿真电路，仿真一下很简单。不过我认为在实际应用中，仿真都不必做，我们只要理解其原理，知道怎么克制就可以了。 · 回复 ·· 2008-11-27 15:24 · 这一局部的总结：真实电路和理想电路是不同的，各种元件都有其等效的其他参数。大电解的ESR贡献了差模噪音的低频局部，ESL贡献了差模噪音的高频局部。结果很明显，高频电解的ESR,ESL比拟低，有利于降低差模噪音！ 如果一级滤波结果不好，自然想到两阶段滤波。 在实际的设计中，并不需要单独增加一个电感，可以利用共模(功率大的电源一般都要用的漏感来做差模电感，这样只需要增加一个X电容就可以了。不同的共模漏感是不一样的，如果用ET型的磁心，4槽骨架的比2槽的要大，漏感可以通过短路一组引线来测量。 · 回复 ·· 2008-11-29 19:30 ·· 11楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  第一个图是两阶段差模滤波考虑元件寄生参数的真实等效电路，第二个图是模拟的结果。可以看到两阶段滤波对干扰的衰减更厉害。原因是两阶段时干扰信号经过了两级LC，是80dB/10倍频程的衰减。 · 回复 ·· 2008-11-29 19:39 ·· 12楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  单独把这一页列出来，因为它告诉了我们一个很重要的技巧。当把开关电源的频率设定到150KHz时，在150K的衰减时8dB；但是如果把开关频率设定到130K，那么开关频率的干扰不需要测量，需要关注的是开关频率的二倍频，即260K，此时的衰减是很大的，从图上看到有30dB的裕量。 · 回复 ·· 2008-11-29 19:45 ·· 13楼 · libing · | 高级工程师 (1287) | 发消息  太牛B了，多教师啊 看你的帖子做呢的学了不少东西！顶起！ · 回复 ·· 2008-11-30 17:01 ·· 43楼 · coocKK · | 本网技工 (124) | 发消息  好帖子 学习 · 回复 ·· 2010-03-17 16:08 ·· 14楼 · greendot · | 副总工程师 (2377) | 发消息  如果作者仿真时包括整流桥堆，EMI曲线应该不一样了，不过不影响他要说明的概念。2 stage filter 的图，100uF 和0.47uF电容的位置是否应该互换，这时仿真的结果会一样吗？ · 回复 ·· 2008-12-01 13:00 ·· 15楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  这说明你好没有好好的完整的读我放上的那个资料，你要问的里面全部有答案。 · 回复 ·· 2008-12-01 19:22 ·· 16楼 · 斜阳古道 · | 副总工程师 (2761) | 发消息  呵呵，我顶，不发言 · 回复 ·· 2008-12-01 21:32 ·· 17楼 · greendot · | 副总工程师 (2377) | 发消息  呵呵，为什么不发表意见啊。1。DM noise 只在桥堆导通时才流过LISN。2。两电容互换后，结果是否一样？可能相差不大，但一般好似都把Bulk Cap 放在最后。   · 回复 ·· 2008-12-01 22:00 ·· 18楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  如果两个电容至少C2是理想的，换了之后效果差异很大，如果不是理想的，效果差不多。理想的效果大的原因是LC形成一个二阶网络，来衰减差模电流，LC越大时其谐振频率越低，当然衰减效果更好。 另外整流二极管的问题以后会有论述。 · 回复 ·· 2008-12-02 17:20 ·· 20楼 · dianyuan21 · | 工程师 (838) | 发消息  请教cmg大师：最近有一款30W/12V的笔记本充电器，采用反激式，跳频，断续工作模式，最高频率差不多64K。在165K-170K的EMI很高，QP不到5个dB的余量，到后面1M这段根本上成线性减小，小到有十个dB的余量，再往后5.5M左右时又是一个很高的波峰，其它地方都还好。但老化十几分钟后前面那个QP不到5个dB的也有差不多8个了。学生不才，能不能指点下是怎么回事，先了！转换局部电路如下列图： · 回复 ·· 2008-12-03 23:52 ·· 21楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  前面的局部170KHz左右是开关频率的3倍频你的开关频率测量的不一定那么准，工作后幅值减少说明主要是差模干扰造成的，因为工作一段时间后高压电解的ESR减小。5MHz左右是初级吸收电路的振荡频率，你可以测量一下漏极的波形。加大C101可以解决第一个点，加大共模电感可以同时解决这两个点。Y电容适当加大也对第二个点有帮助。如果把嵌位二极管改为1N4007，第二个点就应该没有了，但这会降低效率。 · 回复 ·· 2008-12-04 11:24 ·· 22楼 · dianyuan21 · | 工程师 (838) | 发消息  非常感cmg大师的回复，了！1，加大C101是可以降低一些，但本钱要增加几毛钱，我们已经是用的是0.33uF的X-cap，本钱已是5毛钱了，再加大的话就更贵了，而且效果也不是太明显了，不过加大辐射要好的多了。2，温度升高电解的ESR值减小，学生也试过在变压器两脚又并一个4。7U的电解，效果也不是太明显，可能是太小了吧，明天再加大容值或者换个ESR小的试试 ，但也受本钱限制。不过当时在这里加一个4。7U电容本意是以为输入大电容到变压器之间走线的分布电感造成的，第一次加了小的瓷片，觉得没什么用，就干脆加了个大个儿，呵呵，对EMI，哎！真是没方法！有点盲目了。3，“工作后幅值减少说明主要是差模干扰造成的，那加个差模电感试试，这个本钱应该会低一点吧，4，那个钳们二极管已经是1N4007了，而且是从里面挑选出来的性能相对较好的。加大Y-cap，漏电流又大了，但辐射也会好很多，呵呵，明天也先试试看。5，共模电感加大对180K以后的影响很大，170K时变化很小，这个试过，现在已经是17mH了，明天再加大试试。6，“5MHz左右是初级吸收电路的振荡频率，你可以测量一下漏极的波形。这一点的波形经常测的，是有一点振荡，不过学生是看不出来哪里异常，呵呵， “前面的局部170KHz左右是开关频率的3倍频，5MHz左右是初级吸收电路的振荡频率 对这两句话很感兴趣，能不能再说的详细一点啊！  · 回复 ·· 2008-12-04 23:15 ·· 23楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  1EMI的低频端高的各个峰头根本上是开关频率的倍频，如1倍频，2倍频，3倍频，4，5，。等。2MOS关断后从漏极波形上看有一个振荡，这个振荡是漏感和分布电容造成的，这个振荡的频率一般在4-10MHz的围，振荡会引起共模干扰。 · 回复 ·· 2008-12-05 17:22 ·· 24楼 · 1988zy · | 工程师 (632) | 发消息  顶cmg！ · 回复 ·· 2008-12-05 22:28 ·· 25楼 · dianyuan21 · | 工程师 (838) | 发消息  cmg大师，看了这个贴子，对这方面有了一定的认识。不过EMI还是要不断的去实验，才能很好的解决，呵呵 ！ · 回复 ·· 2008-12-05 23:03 ·· 26楼 · dianyuan21 · | 工程师 (838) | 发消息  希望这个贴子能继续！ · 回复 ·· 2008-12-05 23:15 ·· 27楼 · 简单有效 · | 本网技师 (202) | 发消息  感，学习中，不过我已经不做实际的工程了，借鉴写资料做个教程，！ · 回复 ·· 2008-12-06 17:08 ·· 33楼 · W119 · | 工程师 (606) | 发消息  楼上的说的是实话哈哈 · 回复 ·· 2008-12-12 11:25 ·· 28楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  输入整流管的影响 整流管导通时，差模电流几乎无阻挡通过，整流管不导通时，按图上没有差模电流，但实际上整流管有电容存在，还是有一点点电流的，不过影响很小，可以忽略。根据这个图我们也不难理解，在测量EMI时，低压时的EMI通常比高压时在低频段差模为主大一些。因为低压时整流管的导通时间长，当然导通时间长的原因是低压时的电流大。电流大也是造成EMI大的重要原因，这两者的共同作用造成了低压时的EMI大。  · 回复 ·· 2008-12-07 09:39 ·· 29楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  全导通和非全导通时的EMI差异。全导通是通过用直流电源给LISN供电来模拟的。从上面的描述可以看到，峰值和准峰值是没有变化的由开关电流的峰值决定，两种情况此电流峰值没有变化，但平均值明显用整流桥的要低很多。 一个描述前半周，一个描述后半周。这个非常容易理解。 · 回复 ·· 2008-12-07 10:02 ·· 34楼 · ZB3674204 · | 本网技师 (267) | 发消息  虽然经济不太好,请请大家都来充电,向Cmg学习,请继续开讲. . · 回复 ·· 2008-12-15 14:46 ·· 30楼 · 我爱电源 · | 工程师 (426) | 发消息  感CMG 先顶你 再认真学习 · 回复 ·· 2008-12-07 12:17 ·· 31楼 · yita1 · | 助理工程师 (308) | 发消息  真是好帖！ · 回复 ·· 2008-12-08 10:52 ·· 32楼 · libing · | 高级工程师 (1287) | 发消息  真的很不错，留下记号 慢慢学。希望楼主能够继续啊 多了 · 回复 ·· 2008-12-10 14:41 ·· 35楼 · cmg · | 副总工程师 (3097) | 发消息  为防止网速慢打开时间过长，重开一帖：开关电源高频电磁波干扰概论解析四.21dianyuan./bbs/bbshome/newrevert.php?tid=2574&rid=61  · 回复 ·· 2008-12-16 11:31 ·· 44楼 · comandos · | 本网技工 (157) | 发消息  讲的真好，收藏。 · 回复 ·· 2010-05-05 21:30 ·· 36楼 · xuguoping · | 工程师 (969) | 发消息  二个字“经典！ · 回复 ·· 2008-12-17 10:13 ·· 37楼 · lansunhsu · | 高级工程师 (1278) | 发消息  顶！ · 回复 ·· 2009-02-27 08:41 ·· 38楼 · 139560433 · | 工程师 (418) | 发消息  cmg同志！看你的帖子真是学习了 · 回复 ·· 2009-03-02 14:55 ·· 39楼 · feng36xj · | 助理工程师 (366) | 发消息  好帖,收藏! · 回复 ·· 2009-04-06 08:50 ·· 40楼 · aliang · | 本网新手 (17) | 发消息  好帖，！ · 回复 ·· 2009-08-03 00:12 ·41楼 招兵买马 | 本网技工 (170) | 发消息    好贴  顶！ 回复 2009-08-25 16:34 42楼 沒時間扯蛋 | 本网技工 (139) | 发消息  哇  頂了 頂了 回复 2009-08-27 14:44 45楼 wsh5106 | 工程师 (520) | 发消息 倒数第 3 贴 输入滤波对电源稳定性的影响 根据Middlebrook的额外元素理论，只要输入滤波的输出阻抗远小于电源的输入阻抗便不会有稳定性问题。输出阻抗远小于电源的输入阻抗的表现就是上述电路Pin局部 分得到最大化的Vin电压，根据这个要求列出上述方程，只要一阶局部的系数>1，就可以得到左半平面极点，就不会有稳定性问题。有一阶局部的系数>1的调节得到上述红色公式。 带一个实际的电源参数进去，发现RL3实际上要>10欧姆电路才能稳定，但实际的电感的阻是很小的，由此得出结果几乎每一个电源都会振荡。但实际上并不是这样，说明理论有不对的地方。 回复 2008-12-16 11:29 1楼 cmg | 副总工程师 (3097) | 发消息  这个是为了和后面做对应的，不作解释。看后面就可以了。 电感的频率特性，我们会看到在频率升高时磁心的损耗会反响为一个很大的电阻，正是它阻尼了振荡，当然趋附和临近效应反响的电阻和直流电阻也有影响，但不是主要因素。补充一下，在实际的电源中C1都很大，很大的C1实际上降低了对RL3的要求，只要很小的RL3就可以了，实际不用考虑RL3,电容的ESR起到了RL3的作用。 回复 2008-12-16 11:46 2楼 cmg | 副总工程师 (3097) | 发消息  当频率高时，用铁分心做电感时，由于损耗严重可能引起融化，这有点玄，但漆包线绝缘是有可能坏掉的。用铁氧体时由于损耗小，就没有这个问题。所以不要忘了ac电阻代表的磁心损耗，它可以阻尼电源的振荡。 由上面的分析我们就知道了为什么输入滤波通常不会引起电源振荡。主要是第一点和第三点。滤波电感的磁心损耗提供了额外电阻；C1通常比拟大。 回复 2008-12-16 20:41 17楼 cmg | 副总工程师 (3097) | 发消息  补上忘掉的一局部： 普通的整流滤波只有在电压峰值时二极管才导通，此时二极管是完全导通的，所以差模和共模电流很容易通过整流管而被LISN检测到，而其他时间二极管不导通，差模电流是不能通过的，共模电流通过能力也减弱，只有高频的局部才容易通过二极管的节电容通过。 由于二极管不导通时几乎没有干扰电流流过，所以用交流电源供电时测量到的平均值会比直流电源供电时低，因为直流供电时二极管是每时每刻导通的，干扰电流可以全通过。由以前的帖子里描述的测量EMI的原理可知，峰值和准峰值是没有变化的。因为它们测的是瞬间(PK)和极短时间的平均值(QP)。 回复 2009-02-04 21:40  输入滤波电感同样也是一个噪音接收源： 电感的环路承受外部磁通可能来自于你的变压器会产生噪音电流。 同样电感的绕组是铜线做的，可以和电路里面的高压局部产生容性耦合，从而产生噪音电压。 回复 2009-02-04 21:27 16楼 cmg | 副总工程师 (3097) | 发消息  这个是对上面所有局部的总结，就不再重复了。 回复 2009-02-04 21:29 53 / 53