二十二个实例带你解决开关电源的EMC问题

2020-11-15 13:09字体:
  

  起的难点题目,PCB 布板题目不算很浩劫点,但假若要布出一个精致 PCB 板必定是开闭电源的难点之一(PCB 计划欠好,能够会导致无论怎样调试参数都调试布出来的情景,这么说并非危言耸听)来历是 PCB 布板时研究的身分照样许众的,如:电气本能,工艺途径,安规哀求,EMC 影响等等;研究的身分之中电气是最根基的,可是 EMC 又是最难摸透的,许众项宗旨希望瓶颈就正在于 EMC 题目;下面从二十二个偏向给大众分享下 PCB 布板与 EMC。

  上面的电道对 EMC 的影响可念而知,输入端的滤波器都正在这里;防雷击的压敏;防卫报复电流的电阻 R102(配合继电器减小损耗);闭节的虑差模 X 电容以及和电感配合滤波的 Y 电容;再有对安规布板影响的保障丝;这里的每一个器件都至闭紧要,要细细咀嚼每一个器件的成效与用意。计划电道时就要研究的 EMC 残暴品级从容计划,例如树立几级滤波,Y 电容数目的个数以及地位。压敏巨细数目抉择,都与咱们对 EMC 的需求亲密闭连,接待大众沿途商榷看似轻易本来每个元器件包含深远意义的 EMI 电道。

  二、电道与 EMC:(最熟练的反激主拓扑,看看电道中哪些闭节地方包含了 EMC 的机理)

  上图的电道中打圈几局部:对 EMC 影响很是紧要(防备绿色局部不是的),例如辐射大众都清爽电磁场辐射是空间的,但根基的道理是磁通量的变革,磁通量涉及到磁场有用截面积,也便是电道中对应的环道。电流可能发生磁场,发生的是牢固的磁场,不行向电场转化;但变革的电流发生变革的磁场,变革的磁场是可能发生电场(本来这便是闻名的麦克斯韦方程我用通常言语来说),变革的电场同理可发生磁场。以是必定要眷注那些有开闭状况的地方,那便是 EMC 泉源之一,这里便是 EMC 泉源之一(这里说之一当然后续还会讲到其它方面); 例如电道中虚线环道,是开闭管开通和闭断的环道,不单计划电道时开闭速率可能治疗对 EMC 影响,布板走线环道面积也有着紧要的影响!另二个环道是招揽环道和整流环道,先提前认识下,后面再讲!

  1.PCB 环道对 EMC 的影响很是紧要,例如反激主功率环道,倘使太大的线. 滤波器走线结果,滤波器是用来滤去作对的,但假若 PCB 走线欠好的话,滤波器就能够遗失该当有的结果。3. 构造局部,散热器计划接地欠好会影响,樊篱版的接地等; 4. 敏锐局部与作对泉源过近,例如 EMI 电道与开闭管很近,肯定会导致 EMC 很差,需求有了解的间隔区域。5.RC 招揽回道的走线.Y 电容接地与走线,再有 Y 电容的地位也很闭节等等!

  如上图中虚线框,X 电容引脚走线做了内缩的惩罚,大众可能练习下,奈何让电容引脚走线外挂(采用挤电流走线)。如许 X 电容的滤波结果才也许抵达最佳状况。

  四、PCB 计划之打算事项:(打算充溢了,方可计划步步保守,避免计划打倒重来)

  大致有以下的极少方面,都是我方计划经过会去研究,总共的实质跟此外教程无闭,都是只是我方的体味总结。

  1. 外观构造尺寸,囊括定位孔,风道流向,输入输出插座,需求与客户体系配合,还需求与客户疏导安装上的题目,限上等等。2. 安规认证,产物做哪种认证,哪些地方做到根基绝缘爬电隔断要留够,哪些地方做到巩固绝缘留够隔断或开槽。3. 封装计划:有没有独特功夫,如定制件封装打算。4. 工艺途径选定:单面板双面板抉择,或是众层板,依照道理图及板子尺寸,本钱等归纳评估。5. 客户的其他独特哀求。

  构造工艺相对会更矫健,安规照样比拟固定的局部,做什么认证,过什么安规准则,当然也有极少安规是许众准则中通用的,但也有极少独特产物例如医疗会比拟厉苛。

  接下来列出些广泛产物通用的,下面是对付 IEC60065 总结出来的的确布板哀求,针对安规需求记得,境遇的确产物要会针对性惩罚:

  1. 输入保障丝焊盘制件的隔断安规哀求大于 3.0MM,现实布板遵照 3.5MM(轻易说保障丝前遵照 3.5MM 爬电隔断,之后遵照 3.0MM 爬电隔断) 2. 整流桥前后安规哀求 2.0MM,布板遵照 2.5MM。3. 整流后安规大凡不做哀求,可是上下压间依照现实电压巨细留隔断,习俗 400V 高压留 2.0MM 以上。4. 首次级间安规哀求 6.4MM(电气间隙),爬电隔断遵照 7.6MM 为最佳。(防备这个跟现实输入电压闭连,需求查外的确盘算推算,供应数据仅供参考,以现实场所为准)5. 首次级用冷地,热地标识了解;L,N 标识,输入 AC INPUT 标识,保障丝申饬标识等等都需求了解标出。

  再次重申现实安规隔断跟现实输入电压闭连以及做事处境相闭,需求查外的确盘算推算,供应数据仅供参考,以现实场所为准;

  1. 了然我方产物做什么认证,属于什么产物品种,例如医疗,通讯,电力,TV 等各不相像,但也有许众相通的地方。2. 安规中与 PCB 布板慎密的地方,认识绝缘的特质,哪些地方是根基绝缘,哪些地方是巩固绝缘,差别准则绝缘隔断是不相同的。最好是会查准则,而且会盘算推算电气隔断,爬电隔断。3. 产物的安规器件要点防备,例如变压器磁性与原副边相闭;4. 散热器与周边隔断题目,散热器接的地不相同绝缘情景也不相同,接大地照样冷地,热地绝缘也布相同。5. 保障的隔断极端防备,哀求最厉苛地方。保障丝前后隔断布相同。6.Y 电容与走电流,接触电流相闭。

  1. 最先权衡 PCB 尺寸与器件数目,做到疏密有致,要否则一块密,一块疏落很难看。2. 将电道模块化,以中心器件为中央,闭节器件优先放的准绳一次安置器件。3. 器件呈笔直或水准防置,一是好看,二是便利插件功课,独特情景可能研究倾斜。4. 结构时需求研究到走线,摆放到最合理地位便利后续走线. 结构时尽能够减小环道面积,四大环道后面会详解到。

  下面是我画的第一块童贞 PCB 板,许众年前的事件,当时很是的辛劳达成的,中央能够有小题目,但是大致结构照样值得练习的:

  此图功率密度照样比拟高,此中 LLC 的掌管局部,辅助源局部以及 BUCK 电道驱动(大功率众道输出)局部正在小板上,就没拿出来,看看主功率方面的结构特质吧:

  1. 输入输出端子是固定死的,不行动,板子是长方形的,主功率流向奈何去抉择? 这里采用由下至上,由左及右的体例来结构,散热是寄托外壳。 2.EMI 电道照样了解的流向,这点很紧要,要不错乱了欠好看也对 EMC 欠好。3. 大电容的地位尽量研究到了 PFC 环道以及 LLC 主功率环道;4. 副边的电流比拟大,为了走电流,以及整流管散热,采用了如许的结构,整流管正在上,BUCK 电道 MOS 管不才,散热分开结果好;大功率的顶层大凡走负,底层走正。

  每个板子有我方的特质,当然也有我方的难处,奈何合通晓决是闭节,大众从中能通晓结构合理选用的寄义吗?

  可能依照之前评论的 PCB 结构重心,检视此板,是否做的很到位,我以为是做到比拟好的地方了,当然瑕疵总会有,也可能提出来,单面板如斯紧凑能做到如许已实属不易了,可能借此板练习商榷!后面还会针对此板诠释练习,大众先鉴赏下。

  八、PCB 计划之四大环道相识:(PCB 结构的根基哀求便是四大环道面积小)

  增加一下,招揽环道(RCD 招揽以及 MOS 管的 RC 招揽,整流管的 RC 招揽)也很紧要,也是发生高频辐射的环道,对上图有任何疑义,都接待商榷,不怕任何质疑,只消是针对题目的质疑,沿途商榷练习本领更大的前进!

  1. 针对热门,必定要极端防备(高频开闭点),是高频辐射点,结构走线对 EMC 影响很大。2. 热门组成的环道小,走线短,而且走线不是越粗越好,而是够走电流够用就好。3. 地线要单点接地。主功率地和信号地离开,采样地零丁走。4. 散热器的地需求接主功率地。

  均为个别通晓,也许与守旧原料教材有不同,请我方商酌,反正我感应许众通用的教材结果没我我方总结的运用,自负了。念说的许众,能够有些乱,都是试验出来的!

  EMC 发生以及测试时测得的结果奈何去通晓:轻易来说便是奈何一针见血,许众情景拿到第一轮测试结果,怎样将结果和电源去比较阐明;焦点思绪如下:

  1、针对传导,测试局限准则 15K-30M,常睹的 EN55022 是 150K 起。传导的泉源是怎样发生的呢?针对低频,闭键是开闭频率以及其倍频(后续有图解),这种从泉源是无法管理的,开闭频率是无法清除的,当然你可能变换开闭频率,那也只是将测试结果挪动了,并没有真正事理上清除。只可通过滤波器来管理,大凡来说对付低频采用 R10K 这种高磁通材质有很好的结果,磁环巨细跟你功率相闭系,大凡抵达 10MH 感量,乃至更大到 20MH,配合 Y 电容大凡能很好管理,低频不是难点;真正的难点是高频,个别以为,高频的起因就庞杂众了,有开闭导致,有变压器能够,也有电感的能够,也就便是整个存正在开闭状况的地方都能够存正在(怎样占定的确地位,后续诠释),这里需求一番探求;找到泉源未必泉源能管理,能够有改良,照样的配合滤波器。针对高频,采用低磁通材质,如镍锌环,感量大凡都是 UH 级此外,配合适宜 Y 电容(比拟庞杂的电源,提议布板时众留几个 Y 电容地位,便利整改);

  2、极少配合技能,许众教材都提到增大 X 电容占定差模照样共模,有必定事理能够实际助助不大,计划时大凡咱们 X 电容城市放到适宜的值。而且增大 X 电容就能管理差模题目,也是乱说,以是许众教材都是供应必定事理指挥,个别感应没什么用。我感应比拟好的技能有几个:1. 比较接地和不解地总结不同,不接地能够更差,来历是体系构制的传导途径少了;也能够有改良,评释是通过地回道传导到端口。的确管理办法,针对电道接地的点 Y 电容实行治疗以及加磁珠。2. 正在输入端口套磁环,若套低 U 环有改良,治疗第一级滤波电感。3 庞杂的体系防备 EMI 电道的樊篱办法。若办法都没什么结果,反省 PCB 计划,这方面正在 PCB 计划中会讲到。

  3、针对辐射:务必寻找泉源去管理,观测第一次测试结果,假若 30M 相近越过,跟接地闭连,体系上找接地,而且要占定测试时是否接地杰出,有功夫输入线M 以内,大凡是 MOS 管开通闭断惹起,有时后为了现场欠好直接占定是开通照样闭断,可针对性整变更测结果去验证(当然这都得用钱,后续会诠释奈何用示波器去占定,这然则密招)。3 100M 以上众为二极管惹起,整改二极管招揽电容,大功率的有的能够是同步整流,更改 MOS 管招揽环道,记住有功夫调度 C 时还得配合 R 整改。

  要说的太众,后续针对的确实例去增加吧,先手打这么众,反正我打的够劳碌,能惹起共鸣很难,结果每个别的整改体验差许众,就当给新人伙伴极少启发吧,后续会举例评释!

  滤波电容的走线对滤波结果有至闭紧要的用意,走的欠好,能够遗失其应有的滤波结果。

  图一是副边整流滤波走法,使二个电容结果分摊,避免第二个电容正在整流回道中失效。

  图二:为输出滤波电容走线,必定不要外挂(也便是被旁道掉),走的欠好输出纹波很差。

  LLC 电道大众最熟练但是了,虚线圆圈是驱动电道,正在电道计划时紧靠 MOS 管安置,也便是说 IC 供应的驱动只需求引二根线拉到驱动电道,驱动电道离 MOS 管近,避免被作对(同时走线时也要防备驱作为对到敏锐信号,既是敏锐信号也是作对源);一朝驱动被作对电源可念而知。

  同理同步整流的 MOS 管驱动也要离同步整流管近,计划道理图时像此图如许放就能很好通晓,若是你将这电道给 PCB 工程师布板,他就很直观奈何结构走线,你假若画得很乱,许众 PCB 工程师对电道通晓得布透彻能够就容易布错板。

  其余:原边有一个紧要的环道,PFC 电容与 MOS 管以及变压器,谐振电感,谐振电容组成的环道面积小;

  走线时防备上下压的隔断,有些地方电压是浮动的,务必作为高压来对于,例如上管驱动以及对应的参考电压。

  至于 EMC 方面 LLC 的开通是软开闭,开通对 EMC 简直没有影响,要点眷注是闭断速率的速慢对 EMC 影响;再有 MOS 管结电容并的电容对 EMC 影响很大,抉择电容不适宜,或是不加(MOS 管自己也有结电容)对 EMC 都能够有影响,这是要点防备的地方;此图没有 Y 电容,正在 MOS 管正或者负防置 Y 电容也能很好滤去开闭作对;

  左边绿色方框局部是驱动电道,和之前 LLC 拓扑驱动相同,离 MOS 就近安置,道理图上就展现出来。

  右边绿色虚线方框局部,是 MOS 管闭断尖峰招揽电道,相同与 MOS 管组成环道要最小;

  其余二大紧要环道,一是 MOS 管开通环道(虚线血色图),另一个是 MOS 管闭断环道(实线血色图);环道面积尽能够小;

  有的产物 EMC 很难正在泉源上行止理的,可能采用磁环滤波,当然我这里说的磁环有二个层面的乐趣,一方面是输入输出端的滤波电感,采用差别材质磁环,差别匝数会有对应的结果,再有一方面乐趣是直接正在输入输出线上套磁环,有时能起到妙用,但不是正在总共场所都能用,最少照样能行为占定按照;

  上图蓝色和玄色线是输出正负端,上面套了个磁环,管理了输出整流管惹起的高频端越过;有些功夫端口的作对正在 PCB 板上加滤波器未必有用果,正在输出线上放磁环就有念不到的结果。

  1.CS 信号(采样信号):从采样电阻 R25,R26 拉出,防备 IC 的地线以采样电阻为基准,采样电阻的正负差分走线拉倒 IC CS 脚以及 IC 的 GND 脚。2. 驱动信号从驱动电道拉倒 IC 驱动引脚,防备不要作对到 CS 脚;如图走线三根线并排走,而且将地线走正在驱动先和 CS 线中央起到必定樊篱用意;3. 双面板最好将 IC 一层铺地樊篱,铺地的汇集必定要从 IC GND 引出,非闭节信号 GND 可直接打过孔,闭节信号地需求单点接地,直接接 IC;4.FB 反应汇集信号防备查分走线.RCD 招揽汇集不要放正在主回道;6.VCC 的整流滤波地需求接主功率地,二级滤波可接 IC 地;7.Y 电容走线零丁接,弗成与主功率混杂,避免作对;

  1.PFC 的驱动和 IC 共地接 PFC 管,更的确点是接采样电阻的地;2.DC-DC 局部的驱动地和掌管地接 DC 开闭管局部的采样地;3. 辅助源局部掌管地接辅助源 MOS 管采样第,MOS 管地再接主功率地;4. 各自 IC 的供电地通过辅助源 EC 滤波接 IC 地,防备 RC 滤波亲昵 IC;

  如图比较:输入和输出的电场作对可能通过电容合,若增添樊篱板,则增添了 C4 的巨细,而且 C1 也会减小,对电场作对起到衰减的宗旨;

  如图:磁场樊篱的特质和磁场不相同,需求外壳樊篱,电场只需求平面樊篱板,故散热器樊篱带来的是电场樊篱,有的采用外壳关闭式电源则起到了必定磁场樊篱;

  磁场樊篱道理,磁场通过樊篱罩会变换磁道,导致磁力线向四周扩散,中央磁场作对抵达樊篱宗旨;

  对器件的相识对 EMC 也有着紧要的事理,例如 MOS 管,主开闭 MOS 是很紧要的 EMC 泉源之一,再有整流管的开通以及闭断也会发生高频辐射(道理是电流发生磁场,变革的电流发生电场);当然这里闭键是先容半导体开闭器件,其他的电感变压器就不做评释了;

  开闭器件哪些参数对 EMC 有紧要影响,咱们常说速管,慢管是以什么行为参照的呢?咱们都清爽速管开通损耗小,为了做高成果都可爱用,可是为了 EMC 成功通过,不得不舍弃成果,低浸开闭速率来削弱开闭辐射;

  对付 MOS 管,开通速率是由驱动电阻与输入结电容定夺的;闭断速率是由输出结电容与管子内阻定夺;

  参照以上两图,是差别型号的 MOS 管,比照下输入结电容和输出结电容,2400PF 与 800PF;780PF 与 2200PF;一看就清爽第一个规格是速管,第二个是慢管,这功夫定夺开闭速率还要与驱动电阻配合;常例情景驱动电阻正在 10R-150R 比拟众,选用驱动电阻与结电容相闭,针对速板驱动电阻可妥贴增大,慢管驱动电阻可妥贴减小;

  对付二极管,有肖特基二极管,速恢复二极管,寻常二极管,再有一种用的比拟少的 SIC 二极管,开闭速率 SIC 二极管简直为零,等于是没有反向还原,开闭辐射最小,而且损耗也最小,独一的漏洞便是价值腾贵,故很少用;其次便是肖特基二极管,正向压低浸,反向还原工夫短,按次是速恢复和寻常二极管;需求正在损耗和 EMC 之间折中;大凡可选用改招揽以及套磁珠等办法整改 EMC;

  滤波器的架构抉择对滤波器的影响很紧要,正在差别场所,滤波器是依照阻抗配合来抵达滤波结果,大众可依照此图的准绳参考选用奈何滤波;例如最常用的输出整流桥后采用π型滤波以及输出端采用 LC 滤波器;

  滤波器的材质对计划滤波电感也是至闭紧要,采用差别初始磁导率的材质会正在差别频率段升引意,选错材质就完整遗失应有的结果;

  EMC 的旅途,当然空间辐射是跟环道相闭,环道也是旅途构变成的;阐明出反激高频等效模子,助助通晓 EMC 造成的机理;咱们的测试接管配置会从 L,N 端接管传导,为了减小接管的作对,就务必让作对通过地回道畅通而不从 L,N 端口流向接管配置;这功夫咱们的 EMI 电感以及 Y 电容通过阻抗配合就可能达成;其余原边的作对可能通过原副边 Y 电容,变压器杂散电容以及大地耦合到副边,造成更众的回道;当然极少结电容参数,如 MOS 管结电容,散热器结电容也能组成畅通旅途;

  这个图能够有些空洞,但是正好 EMC 是很难做到的确,需求给到咱们极少启发,可知:差模辐射是以环道的式子存正在,而共模辐射是以天线的式子发射;是以正好印证前面说咱们布板的功夫开闭环道的结构以及走线的功夫不要走锐角,常例走 45 度,最好是圆弧走线,当然走线成果会比拟低;

  这些道理根本学问通晓得好,对现实惩罚 EMC 做事以及布板很有效谁人,倘使没这种认识,能够毫无用途,由于供应不了直接伎俩,需求与其他学问念集合;

  并且这里提的许众道理东西,正在许众 EMC 原料中是看不到的,并且也没这么会集,需求再三贯通!

  如图:极少频率端与开闭电源发生部位的相闭,这只是大凡法则,不要完整笃信;既是法则又不行尽信是为什么?法则并不是正在总共情景下树立,差别电源的不同也很大,以是道理是助你阐明,而不是遵照伎俩去硬套;

  依照传导实例,频率的漫衍点闭节是的确的数据与基频之间的相闭,这个测试完后,需求忖测这些数值的法则,能够能觉察什么蛛丝马迹;当然对付这些频率奈何通过滤波器去管理的技能前面也说过了;

  这里是给大众增加极少仿佛很奥密的 EMC 它是怎样来的,感受不再奥密,而不单是稀里糊涂的采用滤波器管理了题目!

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