开关电源的EMC干扰不知道是怎么产生的？（开关电源EMC探析）
时间：2022-10-04 21:00:00
在开关电源产品的研发过程中，EMC问题是工程师必须克服的问题之一，也是不同功率开关电源的难题。EMC又称电磁兼容，要使设计的产品符合电磁兼容标准，必须弄清楚开关电源的电磁干扰是从哪里来的。
01
开关电路产生的电磁干扰
开关电源EMC在设计中，首先要避免的是电源开关电路中的电磁干扰，这也是开关电源的主要干扰源之一。开关电路主要是结构由开关管和高频变压器组成，所以它产生了du/dt脉冲大，频带宽，谐波丰富。电源电压中断会产生与主线圈连接时相同的磁化冲击电流瞬变，即传导电磁干扰，它不仅会影响变压器的初级，还会使传导干扰返回配电系统，导致电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全和经济运行。
02
整流电路产生的电磁干扰
开关电源EMC在设计中，另一个较大的电磁干扰源是整流电路。在一些中小型电源的整流电路中，输出整流二极管截止时会有反向电流，与结电容等因素有关。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中载流子积累较多，因此在载流子消失前一段时间内，电流会反向流动，导致载流子消失的反向恢复电流急剧减少，电流变化较大。
03
高频变压器产生的电磁干扰
在开关电源的运行过程中，高频变压器也会不可避免地产生电磁干扰，这种干扰问题在大型电源的产品测试过程中尤为常见。由高频变压器的主线圈、开关管和滤波电容组成的高频开关电流环有时会产生更大的空间辐射，形成辐射干扰和电源EMC设计影响很大。如果电容滤波容量不足或高频特性差，电容上的高频阻抗会使高频电流以不同的方式传输到交流电源，形成传导干扰。
04
由分布电容引起的干扰
开关电源中分布电容的设计和EMC在产品测试过程中，它是一种非常微不足道的电磁干扰源。一方面，当开关电源处于高频状态时，分布电容的干扰非常大，散热器与开关管集电极之间的绝缘片接触面积较大，绝缘片较薄。当共模干扰发生时，高频电流会通过分布电容流向散热器，然后流向外壳。另一方面，脉冲变压器在于脉冲变压器的第一级之间，可以直接将原始边缘电压耦合到副边缘，并在副边缘直流输出的两条电源线上产生共模干扰。
透析电源EMC
EMC的内容
●基本概念：
★EMC(电磁兼容性):Electromagnetic Compatibility
★EMI(电磁干扰):Electromagnetic Interference
★EMS(电磁抗扰):Electromagnetic Susceptibility
★ESD（静电）：Electrostatic Discharges
★RS(辐射抗干扰):Radiated Susceptibility
★EFT(电快速瞬变脉冲群):Electronic fast transients
★SURGE(雷击浪涌)
★CS(传导抗干扰):Conducted Susceptibility
●EMC =EMI EMS
★EMI = Conduction（ Harmonic） Radiation
★EMI 三要素:下面是系统级，请想想。PCB级的。
开关电源 EMI 探讨
●EMI 根源：
★首先，开关电源的最大缺点是切换动作（TURN-ON或TURN OFF）其杂讯源产生杂讯电压。由于切换动作的波形为方波，方波中含有许多高谐波。（ dv/dt）
★二是由于开关电晶体的非线性和二极体的反向恢复特性，电流作为快速的非线性变化引起杂讯。（di/dt）
●EMI传播方式及方式：
★EMI根据其特点，干扰信号可分为共模信号（COMMON MODE）和差模信号（DIFFERENTIAL MODE）。
★共模信号：干扰信号电流的两条电路导线上的电流方向相对相同，称为共模信号，见下左图；
★差模信号：干扰信号电流的两条电路导线上的电流方向是相反的信号，称为差模信号，见下右图。
●低通滤波结构的常用划分
●电源输入滤波器的设计：
★共模差模分开设计π型为例）
★滤波器共模设计
★滤波器差模部分设计
●滤波器安装：
●共模电感绕组
●磁珠阻抗
注：共模电感和磁珠： 需要测量温升！
拓扑EMI 分析举例
Flyback 架构EMI 分析
●Flyback高频等效模型的架构
●Noise 源：
大的di/dt和dv/dt 产生的地方，对Flyback就架构而言，这些变化主要包括：
★变压器TX1；
★MOSFET Q1 ；
★输出二极管D1；
★芯片的RC振荡；
★驱动信号线；
Q1 上 Vds 的波形
MOSFET 产生的动作Noise ：如 如上图所示，主要来自三个方面：
①Mosfet开关时，频谱含量宽，开关频率谐波本身就是强干扰源。
②振荡关闭 产生强烈的干扰。
③关断时的振荡 产生强烈的干扰。
开关管 Q关闭，副边二极管D导通时(带载)，原边励磁电感被钳制，原边漏感Lep的能量通过Q1的寄生电容Cds放电主放电电路为Lep—Cds—Rs—C1—Lep，此时产生振荡振荡的频率为：
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，和下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 极有效之方法。
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：
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。由上式可求得：f =178.6KHz，和下图中190.5K吻合。
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Noise 的大小：
首先考虑以下三个方面：
①Mosfet、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：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。
②Q1、D1 的振荡 1会产生较强的干扰。
措施：
*对寄生电容Cds、Cj 的处理：在Q1的ds极、二极管的两端各并上一小电容，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Le的处理：
1、变压器采用 三明治 绕法，以减小漏感。
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的影响之后得下图。
③：Q1 D1 上的振荡 2 会产生较强干扰。
分析方法和②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③的影响相对较小。
同样从上面的分析中，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的地间接一个Y电容（４７２）。
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。
其效果如下图：红色为：未改善之前；蓝色为：采取措施之后
措施二：变压器加法拉第铜环：
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。
措施三：散热片接Rs的地端：
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。
红色为：散热片未接地；蓝色为：散热片接地
当综合上述所有措施后，EMI总效果对比如图所示：
红色为：未采取措施前；蓝色为：综合上述措施后
