开关电源电磁标准及其干扰抑制 一、引言 电磁兼容性(EMC)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而降低性能指标,同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限电平,不影响其它电子设备或系统的正常运行,并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。
世界各国都相应制定了自己的EMC标准。比如国际电工委员会的1EC61000及(C1SPR系列标准、欧洲共同体的FN系列标准、美国联邦通信委的FCC系列标准和我国现行的GT3/T13926系列EMC标准等。
随着国际电磁兼容法规的日益严格,产品的电磁兼容性能越来越受到重视。 开关电源作为一种电源设备,其应用越来越广泛。
随着电力电子器件的不断更新换代,开关电源的开关频率及开关速度不断提高,但开关的快速通断,引起电压和电流的快速变化。这些瞬变的电压和电流,通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合,会产生大量的电磁干扰。
二、开关电源的干扰源分析 开关电源产生的电磁干扰(EMI),按耦合通道来分,可分为传导干扰和辐射干扰;按噪声干扰源种类来分可分为尖峰干扰和谐波干扰。开关电源在工作过程中所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源,工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换以及输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。
三、电磁干扰的抑制措施 电磁干扰由三个基本要素组合而产生:电磁干扰源;对该干扰能量敏感的设备;将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介即传输通道或藕合途径。对开关电源产生的电磁干扰所采取的抑制措施,主要从两个方而考虑:一是减小干扰源的干扰强度;一是切断干扰传播途径。
常用的抗干扰措施包括电路的隔离、屏蔽、接地、加装EMI滤波器以及PCB板的合理布局与布线。 1.电路的隔离 在开关电源中,电路的隔离主要有:模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。
主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果。对于开关电源的模拟信号控制系统的隔离,交流信号一般采用变压器隔离,直流信号一般采用线性隔离器(如线性光电耦器)隔离。
数字电路的隔离主要有:脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离。
2. 屏蔽 屏蔽一般分为两类,一类是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一类是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的有效方法。
可以用导电良好的材料对电场屏蔽,而用导磁率高的材料对磁场屏蔽。 3.接地 为防止各种电路在工作中产生互相干扰,使之能相互兼容地工作,根据电路的性质,将工作接地分为不同的种类。
比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。在电路的设计中,应将交流电源地与直流电源地分开,模拟电路与数字电路的电源地分开,功率地与弱电地分开。
4. 加装EMI滤波器 电源滤波器安装在电源线与电子设备之间,用于抑制电源线引出的传导干扰,又可以降低从电网引入的传导干扰,对提高设备的可靠性有重要的作用。开关电源产生的电磁干扰以传导干扰为主,而传导干扰又分差模骚扰和共模干扰两种。
构成开关电源EMI滤波器的基本网络如图1所示。该滤波器由共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy组成。
共模扼流圈L由两个绕在同一个高磁导率磁芯上的绕组构成,其结构使差模电流产生的磁通相互抵消。这种结构以较小体积获得较大的电感值,并且不用担心由于工作电流导致饱和。
每个绕组与电容Cy分别组成L-E和N-E两对独立端口的低通滤波器,形成共模滤波网络,用来抑制电源线上存在的共模干扰。至于共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy的取值大小,应尽量做到滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率,这样可以实现对整个频段的滤波。
图1 开关电源EMI滤波器 5.PCB板的合理布局与布线 开关电源的辐射干扰与电流通路中的电流大小,通路的环路面积,以及电流频率的平方等三者的乘积成正比,即辐射干扰E∝I·A·f 2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。
上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键,这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。在初级电路中,要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近,且布线紧凑;在次级电路中,要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。
在印制板上,将正负载流导线分别布在印制板的两面,并设法使两个载流导体彼此间保持平行,因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。 四、结束语 要提高开关频率,提高开关电源产品的质量,电磁兼容性是不容忽视的问题。
产生开关电源电磁干扰的因素还很多,抑制电磁干扰还有大量的工作。只有在设计时充分考虑电磁兼容问题,才能使开关电源得到更普遍的应用。
开关电源电磁标准及其干扰抑制 一、引言电磁兼容性(EMC)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而降低性能指标,同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限电平,不影响其它电子设备或系统的正常运行,并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。
世界各国都相应制定了自己的EMC标准。比如国际电工委员会的1EC61000及(C1SPR系列标准、欧洲共同体的FN系列标准、美国联邦通信委的FCC系列标准和我国现行的GT3/T13926系列EMC标准等。
随着国际电磁兼容法规的日益严格,产品的电磁兼容性能越来越受到重视。开关电源作为一种电源设备,其应用越来越广泛。
随着电力电子器件的不断更新换代,开关电源的开关频率及开关速度不断提高,但开关的快速通断,引起电压和电流的快速变化。这些瞬变的电压和电流,通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合,会产生大量的电磁干扰。
二、开关电源的干扰源分析 开关电源产生的电磁干扰(EMI),按耦合通道来分,可分为传导干扰和辐射干扰;按噪声干扰源种类来分可分为尖峰干扰和谐波干扰。开关电源在工作过程中所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源,工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换以及输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。
三、电磁干扰的抑制措施电磁干扰由三个基本要素组合而产生:电磁干扰源;对该干扰能量敏感的设备;将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介即传输通道或藕合途径。对开关电源产生的电磁干扰所采取的抑制措施,主要从两个方而考虑:一是减小干扰源的干扰强度;一是切断干扰传播途径。
常用的抗干扰措施包括电路的隔离、屏蔽、接地、加装EMI滤波器以及PCB板的合理布局与布线。1.电路的隔离 在开关电源中,电路的隔离主要有:模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。
主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果。对于开关电源的模拟信号控制系统的隔离,交流信号一般采用变压器隔离,直流信号一般采用线性隔离器(如线性光电耦器)隔离。
数字电路的隔离主要有:脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离。
2. 屏蔽屏蔽一般分为两类,一类是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一类是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的有效方法。
可以用导电良好的材料对电场屏蔽,而用导磁率高的材料对磁场屏蔽。3.接地为防止各种电路在工作中产生互相干扰,使之能相互兼容地工作,根据电路的性质,将工作接地分为不同的种类。
比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。在电路的设计中,应将交流电源地与直流电源地分开,模拟电路与数字电路的电源地分开,功率地与弱电地分开。
4. 加装EMI滤波器 电源滤波器安装在电源线与电子设备之间,用于抑制电源线引出的传导干扰,又可以降低从电网引入的传导干扰,对提高设备的可靠性有重要的作用。开关电源产生的电磁干扰以传导干扰为主,而传导干扰又分差模骚扰和共模干扰两种。
构成开关电源EMI滤波器的基本网络如图1所示。该滤波器由共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy组成。
共模扼流圈L由两个绕在同一个高磁导率磁芯上的绕组构成,其结构使差模电流产生的磁通相互抵消。这种结构以较小体积获得较大的电感值,并且不用担心由于工作电流导致饱和。
每个绕组与电容Cy分别组成L-E和N-E两对独立端口的低通滤波器,形成共模滤波网络,用来抑制电源线上存在的共模干扰。至于共模扼流圈L、差模电容Cx和共模电容Cy的取值大小,应尽量做到滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率,这样可以实现对整个频段的滤波。
图1 开关电源EMI滤波器5.PCB板的合理布局与布线开关电源的辐射干扰与电流通路中的电流大小,通路的环路面积,以及电流频率的平方等三者的乘积成正比,即辐射干扰E∝I·A·f 2。运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。
上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键,这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。在初级电路中,要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近,且布线紧凑;在次级电路中,要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。
在印制板上,将正负载流导线分别布在印制板的两面,并设法使两个载流导体彼此间保持平行,因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。四、结束语要提高开关频率,提高开关电源产品的质量,电磁兼容性是不容忽视的问题。
产生开关电源电磁干扰的因素还很多,抑制电磁干扰还有大量的工作。只有在设计时充分考虑电磁兼容问题,才能使开关电源得到更普遍的应用。
从MI/EMC 设计经典问题中学习。
1、为什么要对产品做电磁兼容设计?
答: 满足产品功能要求、减少调试时间, 使产品满足电磁兼容标准的要求, 使产品不会对系统中的其它设备产生电磁干
扰。
2、对产品做电磁兼容设计可以从哪几个方面进行?
答: 电路设计(包括器件选择)、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线/电源线滤波、电路的
接地方式设计。
3、在电磁兼容领域, 为什么总是用分贝( dB) 的单位描述?
答: 因为要描述的幅度和频率范围都很宽, 在图形上用对数坐标更容易表示, 而 dB 就是用对数表示
时的单位。
4、关于 EMC, 我了解的不多, 但是现在电路设计中数据传输的速率越来越快, 我在制做 PCB 板的时候,也遇到了一些
PCB 的 EMC 问题, 但是觉得太潜。 我想好好在这方面学习学习, 并不是随大流,大家学什么我就学什么,是自己真的觉得
EMC 在今后的电路设计中的重要性越来越大, 就像我在前面说的, 自己了解不深, 不知道怎么入手, 想问问, 要在 EMC 方面
做的比较出色, 需要有哪些基础知识, 应该学习哪些基础课程。 如何学习才是一条比较好的道路, 我知道任何一门学问学
好都不容易,也不曾想过短期内把他搞通, 只是希望给点建议, 尽量少走一些弯路。
答: 关于 EMC 需要首先了解一下 EMC 方面的标准, 如 EN55022(GB9254) , EN55024, 以及简单测试原理, 另外需要了解
EMI 元器件的使用, 如电容, 磁珠, 差模电感, 共模电感等, 在 PCB 层面需要了解 PCB 的布局、层叠结构、高速布线对 EMC
的影响以及一些规则。 还有一点就是对出现 EMC 问题需要掌握一些分析与解决思路。这些今后是作为一个硬件人员必须掌握
的基本知识!
5.PCB 设计中如何解决高速布线与 EMI 的冲突?
答: 因 EMI 所加的电阻电容或 ferrite bead(磁珠) , 不能造成信号的一些电气特性不符合规范。所以, 最好先用安
排走线和 PCB 叠层的技巧来解决或减少 EMI 的问题,如高速信号走内层。 最后才用电阻电容或 ferrite bead 的方式, 以
降低对信号的伤害。
6.在高速 PCB 设计时, 设计者应该从那些方面去考虑 EMC、EMI 的规则呢?
答:一般 EMI/EMC 设计时需要同时考虑辐射(radiated) 与传导(conducted) 两个方面. 前者归属于频率较高的部分
(>30MHz) 后者则是较低频的部分(<30MHz) . 所以不能只注意高频而忽略低频的部分. 一个好的 EMI/EMC 设计必须一开始布局
时就要考虑到器件的位置, PCB 迭层的安排, 重要联机的走法, 器件的选择等, 如果这些没有事前有较佳的安排, 事后
解决则会事倍功半, 增加成本. 例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器, 高速信号尽量走内层并注意特性阻抗
匹配与参考层的连续以减少反射, 器件所推的信号之斜率(slew rate) 尽量小以减低高频成分, 选择去耦合
(decoupling/bypass) 电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声. 另外, 注意高频信号电流之回流路径使其回
路面积尽量小(也就是回路阻抗 loop impedance 尽量小) 以减少辐射. 还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围. 最
后, 适当的选择 PCB 与外壳的接地点(chassis ground) 。
7.PCB 设计时, 怎样通过安排迭层来减少 EMI 问题?
答: 首先, EMI 要从系统考虑, 单凭 PCB 无法解决问题。 层叠对 EMI 来讲, 我认为主要是提供信号最短回流路径, 减小
耦合面积, 抑制差模干扰。 另外地层与电源层紧耦合, 适当比电源层外延, 对抑制共模干扰有好处。
EMC是Electro Magnetic Compatibility的缩写,即电磁兼容。
顺便说一句,我国CCC认证标志后带EMC字母的才表示电磁兼容认证 我们看电视的时候,如果旁边有人使用电吹风或电剃须刀之类的家用电器,屏幕上会出现令人烦感的雪花条纹。 电饭锅煮不熟米饭,明明关闭了的空调器,过一会却又自己启动……这些都是常见到的电磁干扰现象。
更为严重的是,如果电磁干扰信号妨碍了正在监视病情的医疗电子设备或正在飞行的飞机时,则会造成不堪设想的后果。 电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。
因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。 所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。
而所谓电磁干扰是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。 EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份,所谓EMI电磁干扰,乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声;而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
基本的电路知识要懂,电磁波的相关知识也要。不知道你所说的EMC工程师是design还是test,方向不同,还得自己权量。EMC 其实归根到底是“地”的问题,所以可以多在怎么处理“地”的问题上多下功夫。
《高级PCBEMC设计》
《案例分析与EMC设计》
《产品EMC风险评估》
《板级EMC设计》
《EMC整改分析与对策》
《汽车电子EMC整改与设计》
《军用产品系统EMC设计》
《开关电源电磁兼容设计》
所谓EMC就是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC测试包括两大方面内容:对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试,以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。对于从事单片机应用系统设计的工程技术人员来说,掌握一定的EMC测试技术是十分必要的。EMC是电磁兼容(Electro- Magnetic Compatibility)的缩写,它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)两部分。由于电器产品在使用时对其它电器有电磁干扰,或受到其它电器的电磁干扰,它不仅关系到产品工作的可靠性和安全性,还可能影响其它电器的正常工作,甚至导致安全危险。
1、单片机系统EMC测试
(1)测试环境
为了保证测试结果的准确和可靠性,电磁兼容性测量对测试环境有较高的要求,测量场地有室外开阔场地、屏蔽室或电波暗室等。
(2)测试设备
电磁兼容测量设备分为两类:一类是电磁干扰测量设备,设备接上适当的传感器,就可以进行电磁干扰的测量;另一类是在电磁敏感度测量,设备模拟不同干扰源,通过适当的耦合/去耦网络、传感器或天线,施加于各类被测设备,用作敏感度或干扰度测量。
(3)测量方法
电磁兼容性测试依据标准的不同,有许多种测量方法,但归纳起来可分为4类;传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度(抗扰度)测试和辐射敏感度(抗扰度)测试。
(4)测试诊断步骤
下图1给出了一个设备或系统的电磁干扰发射与故障分析步骤。按照这个步骤进行,可以提高测试诊断的效率。
(5)测试准备
①试验场地条件:EMC测试实验室为电波半暗室和屏蔽室。前者用于辐射发射和辐射敏感测试,后者用于传导发射和传导敏感度测试。
②环境电平要求:传导和辐射的电磁环境电平最好远低于标准规定的极限值,一般使环境电平至少低于极限值6dB。
③试验桌。
④测量设备和被测设备的隔离。
⑤敏感性判别准则:一般由被测方提供,并实话监视和判别,以测量和观察的方式确定性能降低的程度。
⑥被测设备的放置:为保证实验的重复性,对被测设备的放置方式通常有具体的规定。
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