1、 开关电源开关电源 EMC 总汇总汇 *EMC 重要性重要性 *EMC 的内容的内容 *开关电源开关电源 EMI 探讨探讨 *拓扑拓扑EMI 分析举例分析举例 -以以flyback为例为例 *国际认证体系简介国际认证体系简介 Santak R&D 刘鹏刘鹏EMC 重要性重要性早在上个世纪八十年代初，美国新泽西州一家医院产早在上个世纪八十年代初，美国新泽西州一家医院产科病房区的婴儿死亡率相当高。深夜，监视婴儿的监科病房区的婴儿死亡率相当高。深夜，监视婴儿的监视器上的警示灯总是无缘无故地熄灭。对此，护士们视器上的警示灯总是无缘无故地熄灭。对此，护士们很恼火，于是她们将监视器关闭，来回逐一巡视。很恼
2、火，于是她们将监视器关闭，来回逐一巡视。经过一番初步调查后，教授查明了这件事情的真相，经过一番初步调查后，教授查明了这件事情的真相，原来附近一电视台的发射机得到美国通信委员会的许原来附近一电视台的发射机得到美国通信委员会的许可，在大约午夜后可将其输出功率提高得相当高，但可，在大约午夜后可将其输出功率提高得相当高，但必须在早上六点前，或其它指定的时间，恢复到原来必须在早上六点前，或其它指定的时间，恢复到原来的水平。护士站与每个婴儿的监视器间的连接电缆在的水平。护士站与每个婴儿的监视器间的连接电缆在这些干扰频率处发生谐振，感应的电压而使监视器警这些干扰频率处发生谐振，感应的电压而使监视器警示灯熄灭
3、。医院在发现这个问题之前，已有差不多六示灯熄灭。医院在发现这个问题之前，已有差不多六名小孩死亡。名小孩死亡。EMC 重要性重要性再有一个例子：再有一个例子：有这样的一个客户投诉有这样的一个客户投诉反应，当在机房内开启一台开关电源时反应，当在机房内开启一台开关电源时，该公司的该公司的100M速度的局域网出现速度下速度的局域网出现速度下降并停止的现象，而降并停止的现象，而10M速度的网络却速度的网络却没有受影响。关掉电源，网络恢复正常。没有受影响。关掉电源，网络恢复正常。后经实验发现，该开关电源的高频干扰后经实验发现，该开关电源的高频干扰信号藕合到网络线上，使网络出现故障。信号藕合到网络线上，使网
4、络出现故障。EMC 重要性重要性EMC 发展的历史：发展的历史：EMC 其实是伴随着近代电子产业的飞速发展而诞生其实是伴随着近代电子产业的飞速发展而诞生的。到上个世纪末，随着电子、电气设备的急剧增加。的。到上个世纪末，随着电子、电气设备的急剧增加。EMC 已经扩展到已经扩展到众多的领域，可以毫不夸张的说：哪里有电子产品，哪里就有众多的领域，可以毫不夸张的说：哪里有电子产品，哪里就有EMC问题。问题。西方国家对此的要求也越来越苛刻，西方国家对此的要求也越来越苛刻，EMC 已成为发展中国家电子产品进已成为发展中国家电子产品进入西方市场的贸易壁垒之一。入西方市场的贸易壁垒之一。对企业来讲，不同的对企
5、业来讲，不同的EMC设计概念，会导致不同的成本和时间上的浪费。设计概念，会导致不同的成本和时间上的浪费。电路结构封装 屏蔽 滤波 软件成本成本措施措施 概念 设计 产品 市场阶段EMC 内容内容基本概念：基本概念：EMC(EMC(电磁兼容性电磁兼容性)：Electromagnetic CompatibilityElectromagnetic CompatibilityEMI(EMI(电磁干扰电磁干扰):):Electromagnetic InterferenceElectromagnetic InterferenceEMS(EMS(电磁抗扰性电磁抗扰性)：ElectromagneticElec
6、tromagneticSusceptibilitySusceptibilityESDESD（静电）：静电）：Electrostatic DischargesElectrostatic DischargesRSRS（辐射抗干扰）：辐射抗干扰）：Radiated SusceptibilityRadiated SusceptibilityEFT(EFT(电快速瞬变脉冲群电快速瞬变脉冲群)：Electronic fast transientsElectronic fast transientsSURGE(SURGE(雷击浪涌雷击浪涌)CS(CS(传导抗干扰传导抗干扰)：Conducted Suscep
7、tibilityConducted SusceptibilityEMC 的内容的内容EMC=EMI+EMSEMI=Conduction（Harmonic）+RadiationEMI 三要素：下为系统级的，请大家想想三要素：下为系统级的，请大家想想PCB级的。级的。开关电源开关电源 EMI 探讨探讨EMI EMI 产生的根源：产生的根源：第一、开关电源的第一、开关电源的最大缺点是因切换最大缺点是因切换动作（动作（TURN-ONTURN-ON或或TURN OFFTURN OFF）产生杂产生杂讯电压为其杂讯源。讯电压为其杂讯源。因切换动作的波形因切换动作的波形为方波，而方波含为方波，而方波含有很多高
8、次谐波。有很多高次谐波。（dv/dtdv/dt）第二、由于开关电第二、由于开关电晶体的非线性及二晶体的非线性及二极体的反向恢复特极体的反向恢复特性，电流作快速的性，电流作快速的非线性变化引起杂非线性变化引起杂讯。讯。（di/dtdi/dt）T1/d1/Tr 谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAdTr开关电源开关电源 EMI 探讨探讨EMIEMI的传播方式和途径：的传播方式和途径：EMIEMI干扰信号按其特性可分为共模信号（干扰信号按其特性可分为共模信号（COMMON MODECOMMON MODE）和差模信和差模信号（号（DIFFERENTIAL MODED
9、IFFERENTIAL MODE）。）。共模信号：干扰信号电流的在两条回路的导线上的电流方向相对共模信号：干扰信号电流的在两条回路的导线上的电流方向相对大地是相同的信号，称为共模信号，见左下图；大地是相同的信号，称为共模信号，见左下图；差模信号：干扰信号电流的在两条回路的导线上的电流方向相对差模信号：干扰信号电流的在两条回路的导线上的电流方向相对大地是相反的信号，称为差模信号，见右下图。大地是相反的信号，称为差模信号，见右下图。开关电源开关电源 EMI 探讨探讨常用低通滤波结构的划分常用低通滤波结构的划分思考：对开关电源，采用哪种滤波器结构会比较好？思考：对开关电源，采用哪种滤波器结构会比较好
10、？CTL反开关电源开关电源 EMI 探讨探讨电源输入滤波器的设计：电源输入滤波器的设计：共模差模分开设计（以共模差模分开设计（以 型为例）型为例）差模电容差模电容共模电容共模电容共模扼流圈共模扼流圈开关电源开关电源 EMI 探讨探讨滤波器共模部分设计滤波器共模部分设计思考：共模部分为什么不使用思考：共模部分为什么不使用 型滤波器？型滤波器？)1.(.11212RCSLCSVVdmdm传递函数：)2.(.21LCfco转折频率：)3.(.).2lg(40LCemifdBA插入损耗：-20020406080100100010000100000100000010000000 100000000简化的
11、波特图实际的波特图开关电源开关电源 EMI 探讨探讨滤波器差模部分设计滤波器差模部分设计)4.(.)1)(1(1212SCRLCSSCRVVssdmdm传递函数：)5.(.411CRfsco转折频率：)6(.222LCfco)7(.lg60lg20212coemicocodBffffA插入损耗：)8.().8lg(20233RLCfAemidB050100150100010000100000100000010000000f(Hz)dB简化的波特图实际的波特图开关电源开关电源 EMI 探讨探讨滤波器的安装：滤波器的安装：板上滤波器板上滤波器无屏蔽的场合无屏蔽的场合滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或
12、线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上有屏蔽的场合：在屏蔽界面上开关电源开关电源 EMI 探讨探讨插入 Filter前后 Noise对比蓝色为插入 Filter前的 Noise紫色为插入 Filter后的 Noise开关电源开关电源 EMI 探讨探讨共模电感的绕制共模电感的绕制 磁珠阻抗磁珠阻抗共模扼流圈中的负载电流共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。此磁芯不会饱和。Z=jL+R RZL1MHz 10MHz 100MHz 1000MHzCommon choke,Bead 需要测量温升!拓扑拓扑EMI 分析举例分析举例控制芯片+12VFlyback
13、架构架构EMI 分析分析Cds：MOSFET的寄生等效电容，Cj：二极管的节电容Cj，Cm：Mosfet D极对散热片杂散电容，Cd：输出二极管负极对散热片的杂散电容Les：变压器副边对其他绕组的漏感，Lep：变压器原边对其他绕组的漏感Ctx：变压器原边与副边之间的杂散电容，Ce：散热片对地的电容 Flyback架构的高频等效模型架构的高频等效模型Flyback 架构架构EMI 分析分析 Noise 源：大的源：大的di/dt和和dv/dt 产生的地方，对产生的地方，对Flyback架构架构来说，会产生这些变化的主要有：来说，会产生这些变化的主要有：变压器变压器TX1；MOSFET Q1；输出
14、二极管输出二极管D1；芯片的芯片的RC振荡；振荡；驱动信号线；驱动信号线；Flyback 架构架构EMI 分析分析此处发生振荡2此处发生振荡 1 Q1 上 Vds 的波形 MOSFET 动作时产生的Noise：如 上图所示，主要来自三个方面：Mosfet开通、关断时，具有很宽的频谱含量，开关频率的谐波本身 就是较强的干扰源。关断时的振荡 1产生较强的干扰。关断时的振荡 2产生较强的干扰。Flyback 架构架构EMI 分析分析开关管 Q1关断，副边二极管D1导通时（带载），原边的励磁电感被钳制，原边漏感Lep的能量通过Q1的寄生电容Cds进行放电，主放电回路为LepCdsRsC1Lep，此时产
15、生振荡振荡的频率为：LepCdsfmos21在Lep上的振荡电压Vlep迭加在2Vc1上，致使Vds=2Vc1+Vlep。振荡的强弱，将决定我们选取的管子的耐压值、电路的稳定性。量测Lep=6.1uH,Q1为2611查规格书可得Coss=190pF（Coss近似等于Cds）,而此充电板为两个管子并联，所以Cds=380pF。由上式可求得f=3.3 MHz，和右图中的振荡频率吻合。从图中可看出 此振荡是一衰减的振荡波，其初始的振荡峰值决定于振荡电路的Q值：Q值越大，峰值就越大。Q值小，则峰值小。为了减小峰值，可减小变压器的漏感Lep,加大Cds和电路的阻抗R。而加入Snubber电路是 极有效之
16、方法。RCLQ Flyback 架构架构EMI 分析分析 振荡2发生在Mosfet Q1关断，副边二极管由通转向关断，原边励磁电感被释放(这时Cds被充至2Vc1)，Cds和原边线圈的杂散电容Clp为并联状态，再和原边电感Lp（励磁电感和漏感之和）发生振荡。放电回路同振荡1。振荡频率为：)(21ClpCdsLpfQ1 上 Vds 在Lp上的振荡电压Vlp迭加在Vc1上，致使Vds=Vc1+Vlp。量测Lp=0.4mH；Q1为2611，查规格书可得Coss=190pF（Coss近似等于Cds）,而此充电板为两个管子并联，所以Cds=380pF；Clp在200KHz时测得为Clp=1.6nF。由上
17、式可求得：f=178.6KHz，和右图中190.5K吻合。思考：此振荡对辐射影响大吗？Flyback 架构架构EMI 分析分析我们可实行的改善措施有两个：1、减小Noise的大小；2、切断或改善传播途径。1.减小减小Noise的大小：的大小：首先考虑以下三个方面：Mosfet、Diode动作时，具有很宽的频谱含量，开关频率的谐波本身就是较强的干扰源。措施措施：在满足所要求的效率、温升条件下，我们可尽量选开关较平缓的管子。而通过调节驱动电阻也可达到这一目的。红色：47欧姆的驱动电阻 兰色：62欧姆的驱动电阻 可看出：在低频段效果不明显；而在高频段（8MHz)，62欧姆的驱动电阻明显好于47欧姆的
18、驱动电阻。这是因为：62欧姆的驱动电阻将减缓驱动信号的上升/下降沿。这样能限制信号的带宽。Flyback 架构架构EMI 分析分析 Q1、D1 的振荡 1会产生较强的干扰。措施措施：*对寄生电容对寄生电容Cds、Cj的处理：的处理：在Q1的ds极、二极管的两端各并上一681小电容，来降低电路的Q 值，从而降低振荡的振幅A，同时能降低振荡频率f。需注意的是：此电容的能量1/2Cu2将全部消耗在Q1上，所以管子温升是个问题。解决的办法是使用RC snubber,让能量 消耗在 R上。同时R能起到减小振幅的作用。*对变压器的漏感对变压器的漏感Le的处理的处理：1。变压器采用 三明治 绕法，以减小漏感
19、。2。在变压器的绕组上加吸收电路。3。减小Q1 D极到变压器的引线长度。（此引线电感和漏感相迭加）采取上述 措施降低振荡 1的影响之后，得右图。Flyback 架构架构EMI 分析分析 ：Q1 D1 上的振荡 2 会产生较强干扰。分析方法和相同，但此时 电感已变得很大了（主要为为励磁电感），因此漏感和引线电感对的影响相对较小。Flyback 架构架构EMI 分析分析 同样从上节的分析中，可看出Nosie 的传播途径主要是通过变压器的杂散电容Ctx；Mosfet/Diode到散热片的杂散电容Cm/Cd；及散热片到地的杂散电容Ce等途径而耦合到LISN被取样电阻所俘获。措施一：在Rs的地端和C2的
20、地间接一个Y电容（）。原理分析：它的作用是双重的，一是为Mosfet动作产生且串到变压器副边的noise 电流（如I4）,提供一个低阻抗的回路，减小到地的电流。二是为二次侧Diode产生的且串到变压器原边的noise 电流提供低阻抗回路，从而减小流过LISN的电流。其效果如右图：红色：未改善之前 兰色：采取措施之后Flyback 架构架构EMI 分析分析措施二：变压器加法拉第措施二：变压器加法拉第铜环：铜环：变压器是Noise传播的主要通道之一，其中初级线圈和次级线圈间杂散电容Ctx是重要因素。而在变压器内部加法拉第铜环是减小Ctx 的有效的方法之一。Flyback 架构架构EMI 分析分析措
21、施三：散热片接措施三：散热片接Rs的地的地端：端：目的为了将 散热片Ce地LISN这一支路 旁路掉，从而减小到地的电流。其效果如下图：可看出，在低频时较有效；在高频时，效果不明显，这主要是因为在高频时，管脚直接对地的电容已有相当的作用。红色：散热片未接地 兰色：散热片接地Flyback 架构架构EMI 分析分析当综合上述所有措施后，EMI总效果对比如图所示：红色：未采取措施前 兰色：综合上述措施后 国际认证体系简介国际认证体系简介歐洲地區歐洲地區:認証認証EMCMarkEMC,Standard分為分為EMI(電磁干擾測試電磁干擾測試)&EMS(電磁相容電磁相容測試測試)兩部份兩部份,1.EMI
22、部份為部份為EN55022,EN61000-3-2,EN61000-3-32.EMS部份為部份為EN55024內含內含7項測試項測試:EN55022為為RadiationTest&ConductionTest(傳導傳導&幅射測試幅射測試);EN61000-3-2為為HarmonicTest(電源諧波測試電源諧波測試);EN61000-3-3為為FlickerTest(電壓變動測試電壓變動測試)EN61000-4-2為為ESDTest(靜電測試靜電測試);EN61000-4-3為為RSTestEN61000-4-4為為EFTTest(電子快速脈衝測試電子快速脈衝測試);EN61000-4-5為為
23、SurgeTest(雷擊測試雷擊測試)EN61000-4-6為為CSTest (傳導耐受度測試傳導耐受度測試);EN61000-4-8為為PFMFTestEN61000-4-11為為DIPTest(電壓突降測試電壓突降測試)国际认证体系简介国际认证体系简介美洲地區美洲地區:認証認証EMIMarkFCC(强制性强制性)StandardFCCPart15(EMI電磁干擾測試電磁干擾測試)申請方式申請方式1.ClassA自我認証自我認証2.ClassBDOC自我認証方式自我認証方式3.ClassB經由經由TCB認証認証,取得取得FCCIDNumber以前以前ITE產品可直接送產品可直接送FCC認証認証,取得取得FCCID,但自但自2000/11/15起起FCC已不再認証已不再認証,授權由授權由TCB發發IDNumber,而而TCB只接受美國當地實驗室所送案只接受美國當地實驗室所送案件件,用意在鼓勵其他地區以用意在鼓勵其他地區以DOC方式認証方式認証.所謂自我認証所謂自我認証,即經由合格實驗室測試完成後發行即經由合格實驗室測試完成後發行TestReport,申請公司取得報告後於宣告信簽名即可申請公司取得報告後於宣告信簽名即可.
