- 開關電源電磁兼容分析與設計
- 杜佐兵 王海彥編著
- 2171字
- 2022-11-23 16:32:06
前言
目前,幾乎所有的電子產品都離不開開關電源。對于帶有開關電源設計的產品,如果不考慮EMC問題,就很可能導致不能通過EMC測試,以至于無法通過相關的法規認證。電源開發設計人員都會經歷讓電源成功量產的磨煉,其問題點要么是熱設計,要么是安規問題,當然最麻煩的還是EMC問題,因為EMC問題是最難預測的。設計工程師通常發現在開關電源EMC問題上,將發射頻譜在某一頻率降下來,卻又會在另一頻率上超標。在設法符合了傳導發射限制后,可能會發現輻射限制值又超標了。
電磁干擾(EMI)是開關電源設計中公認的最具有挑戰性的領域,這在一定程度上是因為許多寄生參數在產生影響,這些寄生參數最需要關注,所以再次調整將不可避免。如果對電源本身有深刻的理解,則電源的主體就不需要進行重新設計,只需要在EMC的領域進行分析和優化。有一本更接地氣的關于開關電源類的EMC分析與設計參考書籍是目前行業電子工程師亟須的。
EMC的分析與設計實際上是和測試相關聯的,EMC的分析和設計需要建立在EMC測試的基礎上。EMC的三要素是關鍵因素,如干擾源、耦合路徑、敏感源/設備。敏感源/設備如果是敏感電路或器件就可能會有EMS問題;敏感源/設備如果是接收天線,當干擾源存在等效發射天線時就可能會有EMI輻射發射問題。傳導干擾測試是通過線路阻抗穩定網絡(LISN)進行的,在50Ω阻抗一定的情況下,傳導干擾的大小程度取決于流過LISN中這個電阻的電流,那么最簡單的處理EMI傳導問題的方法就是要降低流經這個電阻的電流,在實踐的過程中在電源端口傳導干擾的問題在于流過電源端口的共模電流,分析其共模電流的路徑和大小就變得非常重要。對于輻射干擾,當在屏蔽暗室進行天線接收測試時,可以減小流過產品中等效發射天線模型(單偶極子天線模型)的共模電流,從而有利于解決輻射發射的問題。
對于開關電源的EMC問題的分析和設計,思路和方法很重要,比如,任何的信號源總是要返回其源頭,即電流的路徑總是從源端到負載再返回到源端。這時就可以分析出所有的等效路徑,建立簡化的等效模型。
在EMC領域,任何的開關電源拓撲結構電路都會存在du/dt、di/dt。電路中也沒有絕對的零阻抗,當電路中的導體一旦有電流流過,就會產生一定的電壓降。利用歐姆定律,在電子電路板上就沒有零電壓和零電流值,其可能在μA、μV級別的范圍內,即存在一個較小的極限值,因此du/dt、di/dt就會帶來電磁兼容問題。
任何噪聲信號源的回路都可能有很多不同的路徑,不希望某些電流在該路徑上流動,就在該路徑上采取措施包含其源,這是電磁兼容的設計與解決方法。
本書共有9章,第3~6章介紹電磁兼容領域,基本將與開關電源相似的拓撲結構的EMI分析和設計都包含其中。開關電源設計本身是一個復雜的電磁學,如有較深的開關電源設計理論,再來研究其電磁兼容設計,這兩者結合后往往會有很大的收獲。電磁學也不再那樣可怕和難懂,電源的控制環路穩定性也是如此。因此,也期望本書能對實際的生產有用。
第1章為開關電源電磁兼容正向設計理論,把EMC變成一種可控的設計技術同步設計的過程。對于開關電源的電磁兼容分析和設計就需要理論原理和工程實踐的結合,針對三要素中的一個或幾個采取某些技術措施,限制或消除其影響,從而正向設計開關電源中的EMC問題。
第2章為電磁干擾傳輸和耦合理論,任何電磁干擾的發生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑或傳輸通道,也是EMC三要素中的耦合路徑,重點分析了電磁干擾的兩種傳輸方式:一種是傳導傳輸方式,另一種是輻射傳輸方式。
第3~6章為開關電源電磁兼容分析與設計最重要的部分,通過分析開關電源各個拓撲結構的干擾源及傳播路徑,以及磁元件的特性及應用,給出了EMI的設計方法,再通過典型案例進行補充說明。
第7章為開關電源PCB優化EMC,包含PCB的接地濾波設計、PCB的布局和布線設計。一個良好接地設計的PCB不但可以降低流過共模電流產生的壓降,同時也是減小電路中環路面積的重要手段。一個好的PCB設計就可以解決大部分的電磁兼容和EMI問題,同時在接口電路PCB布局時適當增加瞬態抑制器件和濾波電路就可以同時解決大部分的抗擾度問題及電磁干擾問題。
第8章為開關電源設計的浪涌抑制技術,主要解決防雷與防浪涌問題。任何形式的浪涌對電子設備的影響都可以歸納為從電源、信號和接地端口侵入。因此,電子設備的端口防護也從電源端口防護、信號線端口防護和接地端口防護三個方面入手,其基本的防護策略可以采用分壓法和分流法。分壓法采用的元器件有正溫度系數(PTC)電阻、功率電阻、電感元件等;分流法采用的元器件有壓敏電阻、瞬態抑制二極管(TVS)、氣體放電管等。
第9章為開關電源EMI測試與優化,通過分析給出了開關電源系統在產品中的傳導發射和輻射發射的優化思路和方法,對出現的常見問題給出了測試與整改的步驟。
開關電源電磁兼容分析和設計的目的是能讓設計工程師進行產品的正向設計,讓產品具有最低的EMC風險,即使通過測試與整改也能達到最高性價比的設計。由于作者的研究面有限,其EMC設計并不能包含開關電源中所有的EMC問題,同時也會因為作者知識結構的不全面性,導致出現一些描述不合理或不夠準確甚至錯誤的地方,還請廣大讀者提供寶貴意見。
另外,需要說明的是,有的分析是基于IEEE中一些分散、但很好的文章,同時也參考了其他的一些論文和文章,其中絕大部分內容簡單易讀,方便與大家達成共識。書中的元器件符號、波形、圖形和數據等有些是實測的,沒有進行標準化處理,希望讀者諒解,謝謝!
編者
2022年1月