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物联网&智能设备

物联网智能电子产品&设备开关电源系统的输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的EMS设计也是非常关键的!

我再补充详解一下;今天讲的物联网智能电子产品&设备的开关电源系统的EMS的图片:

瞬态干扰对智能设备会产生威胁,出现产品功能及性能的问题!

差模干扰其尖峰噪声电压对设备会直接产生威胁,出现产品功能及性能的问题!

共模干扰其尖峰噪声电压对设备不会直接产生威胁;共模干扰不直接影响设备,而是通过转化为差模电压来影响设备的!由于系统要采用交流AC供电同时要求有下的体积和效率,开关电源的应用必不可少!

注意:电子产品&设备就开关电源系统来说!如果撇开开关电源的输入滤波器

1.开关电源线路本身对脉冲群干扰的抑制作用实在是很低的,究其原因,主要在于脉冲群干扰的本质是高频共模干扰。

2.开关电源线路中的滤波电容都是针对抑制低频差模干扰而设置的,其中的电解电容对于开关电源本身的纹波抑制作用尚且不足,更不要说针对谐波成分达到60MHz以上的脉冲群干扰有抑制作用了,

3.在用示波器观察开关电源输入端和输出端的脉冲群波形时,看不出有明显的干扰衰减作用。

这样看来,就抑制开关电源所受到的脉冲群干扰来说,物联网及智能产品&设备的开关电源系统的输入滤波器是一个重要措施。

EMS的问题注意要重点注意PCB设计的问题!

1.开关电源系统线路中的高频变压器设计的好坏,对于脉冲群干扰有一定的抑制作用;

2.开关电源系统初级回路与次级电路之间的跨接电容,能为从初级回路进入次级回路的共模干扰返回初级回路提供通路,因此对于脉冲群干扰也有一定的抑制作用;

3.开关电源系统输出端共模滤波电路的设置,能对脉冲群干扰有一定抑制作用。

4.开关电源系统线路本身对脉冲群干扰没有什么抑制作用,但是如果开关电源的线路布局不佳,则更能加剧脉冲群干扰对开关电源的入侵。

特别是脉冲群干扰的本质是传导与辐射干扰的复合,即使由于输入滤波器的采用,抑制了其中的传导干扰的成分,但存在在传输线路周围的辐射干扰依然存在,依然可以透过开关电源的不良布局

感应脉冲群干扰中的辐射成分,进而影响整个设备的抗干扰性能。

对于整个物联网电子产品及设备由于有高频的数据通讯系统其PCB的设计多采用双面板及多层板的设计我将PCB的设计再提供参考:

A.PCB-地走线

B.PCB-地回路

C.接地点的位置

为什么要设计EMI低通滤波器来增加插入高频损耗?

关键点1:

共模干扰的产生:是开关电源与大地之间存在分布电容;开关MOS及输出整流二极管在电路中方波电压的高频分量通过分布电容传入到大地;这样就形成与电源线的回路。或者说;高频分量通过分布电容与电源线构成回路产生共模骚扰!

关键点2:

差模干扰的产生:主要是开关电源中开关管工作在开关状态;当开关管开通时流过电源线的电流线性上升;开关管关断时电流又突变为O;因此流过电源线的电流为高频的重复三角波脉动电流;其含有丰富的高频谐波分量;随着频率的升高该谐波分量的幅度会越来越小;因此差模骚扰是随频率的升高而降低的!

注意:随着频率的升高我们开关器件对地之间分布电容变得很关键!此时共模的干扰就变得越来越高,小的共模电流就会产生大的干扰!

这部分我可以通过EMI测试系统的CM/DM分离器就可以得到数据。

下图直观的显示共模和差模骚扰的回路路径;

如上图:开关电源系统产生的噪声包含共模噪声和差模噪声。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。注意:通常线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

如下电子产品&设备的内部电路板的结构图可以想象如果没有特定的EMI低通滤波器件我们是无法通过测试标准的!

杂散参数影响耦合通道的特性

进行上图的分析:在EMI传导骚扰频段<30MHz,多数开关电源系统骚扰的耦合通道我一般用电路网络路径图来分析的。但是,在开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高;因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。

注意:在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。还有,在开关管功率较大时,开关管一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

针对对上面的问题:我们的第一想法是要插入滤波器设计;所以对开关电源系统传导的高效设计实际是我们插入滤波器的设计!

注意设计关键思路:在输入端加滤波器,滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗;如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗。由于线路阻抗的不平衡性,两种分量在传输中会互相转变,情况也变得复杂。

对于<75W电子产品&设备的开关电源系统EMI滤波器的测试推荐如下结构:

输入滤波器的电路设计原理图

测试输入滤波电路能达到10dB设计裕量

我们通用的工业及住宅类产品的EMI标准如下:

传导骚扰的测试频率范围为0.15~30MHz,限值要求如下表:

在0.15~1MHz的频率范围内,骚扰主要以差模的形式存在,

在1~10MHz的频率范围内,骚扰的形式是差模和共模共存,

在10MHz以上,骚扰的形式主要以共模为主。

进行机理分析:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流会逐渐上升,开关管关断时电流突变为零,因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低,共模则相反随着频率的升高器件体之间的分布电容变得越来越关键;小的共模电流都能产生大的电磁干扰。

滤波器的设计:通过上面的分析,了解产品的干扰特性和输入阻抗特性后,设计或者选择一个滤波器就变得简单了。如果使用一个现成的滤波器,可以调用过去积累的滤波器数据库,比对滤波器参数,找到一个合适的滤波器。如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器,可以借助专用的滤波器设计软件。

我设计的公式计算软件的机理:

1. 一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间所以EMI滤波器要在1-10MHZ的插入损耗要尽量好。

2. 滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好:注意小于开关频率;

3. 理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

举例说明:我将一只20mH的电感进行频率-电感& 频率-阻抗 分析;

频率-电感曲线FREQUENCY INDUCTANCE CURVE:

频率---阻抗曲线FREQUENCY IMPEDANCE CURVE:

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

将输入滤波器进行等效如下:

进行EMI的共模和差模等效如下:

计算谐振频率:

对于<75W物联网及智能设备开关电源系统EMI输入滤波器计算结果如下:

通过测试的滤波器的EMI数据与理论的EXCEL的原理计算参数数据是吻合的。因此就可以类推各种不同应用条件下的EMI滤波器的设计!

我们确定fcn的一般方法

电子产品&设备开关电源系统输入滤波器的截止频率fcn要根据电磁兼容性设计要求确定。对于骚扰源,要求将骚扰电平降低到规定的范围;对于接收器,其接收值体现在对噪声限值的要求上。对于一阶低通滤波器截止频率可推荐按下式确定:

骚扰源:fcn=kT ;

信号接收机:fcn=kR ;

式中,kT、kR根据电磁兼容性要求确定,一般情况下取1/3或1/5。

举例说明如下:

A.电源噪声扼流圈或电源输出滤波器截止频率取fcn=30~50kHz,同时要求低于我们的开关电源的最大工作频率;

B.信号噪声滤波器截止频率取fcn=10MHZ~30MHz。

此外,对于输入电流有特殊波形的产品及设备,例如接有直接整流-电容滤波的电源EMI输入电路:没有功率因数校正的开关电源和电子镇流器之类电器设备及产品,如果要滤除2~27/40次电流谐波传导干扰,噪声扼流圈截止频率fcn可能取得更低一些。

其它标准要求的说明如下:

美国联邦通信委员会规定电磁干扰起始频率为300kHz;

国际无线电干扰特别委员会规定为150kHz;

美国军标规定为10kHz。

设计要点:插入滤波器设计;

上图中如果不插入输入滤波器,我们很难通过EMI的传导限值要求!

在实际运用中如果没有插入输入EMI的低通滤波器;我们采用差模和共模分离器进行无滤波器系统的理论研究如下:我们的测试的差模和共模的限值情况如下:

分离的差模测试模拟曲线

分离的共模测试模拟曲线

而实际我们需要达到的测试效果如下:要求满足测试的CLASSA/B的限值要求:

通常实际测试要比限值低5-10dB的设计!实际值为蓝色实线的效果,虚线为我们的限值要求;

我们确定fcn的准确理论方法

根据曲线要求进行切线分割法来确定滤波器的截止频率值

对于一级低通滤波器截止频率可按下式确定:

骚扰源:fcn=kT ; CLASSA/B=150KHZ-30MHZ

接收机:fcn=kR ; CLASSA/B=150KHZ-30MHZ

式中,kT、kR根据电磁兼容性要求确定,一般情况下取1/3或1/5;并且小于开关电源的设计工作频率!

对于<75W 的FLY反激的开关电源系统设计;我在进行差模和共模无滤波器分离测试时得出的曲线进行ClassB的限值要求得出的衰减曲线进行切线分析时;fcn的切点正好差不多在150KHZ的1/3处;因此得出<75W 的FLY反激的开关电源设计 其截止频率在50KHZ 附近;因此我的设计建议对于<75W的FLY开关电源的差模&共模的截止频率推荐在10KHZ-50KHZ设计!

如果系统是Ⅱ类器具/结构- 无接地措施!

滤波器如何设计?参数如何选择?

答案是:设计方法相同;实际上就是上面的计算公式中的Y电容要被分布参数替换了。分布电容往往只有几PF到几十PF; 我直接推荐测试好的如下滤波器结构给大家参考;

理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使铁芯极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

根据我做多年白电产品的设计经验以下的共模电感直接拿来使用,基本上能通过所有的电子产品EMI-传导干扰的应用。

共模滤波器-性能最佳采用分区/槽绕

FT20.6参数规格

采用分区/槽绕 共模电感的漏感还可以做为差模电感使用如下图:

其频率阻抗曲线如下图;

如果功率超过30W推荐卧式结构的ET28

设计要点:

共模电感和Y电容的使用要沿着干扰信号的流向构成一个LC低通滤波器的拓扑。同理,差模电感和X电容也如此。如下图示:

滤波器的正确工作方向

对于漏电电流要求不高的相关比如<5mA漏电流的产品应用<75W的开关电源系统;如果还有需要更大的传导设计裕量,我推荐采用2级共模滤波器的设计;整个传导干扰的设计<40dB,推荐的标准的电路结构如下;

应用时注意:不同产品的应用漏电流要求是不同的;在漏电流的高要求场合Y电容的大小需要进行调整;调整Y电容后根据前面的LC谐振频率再来设计共模电感!设计应用永远是灵活的;具体设计细节可咨询本作者!

我再通过EMI的传导测试曲线来指导大家来进行滤波器的设计优化!

参考如下:

开关电源EMI各个频段对应的产品信息分析:

A.产品为早期的开关电源系统方案

B.开关电源有输入EMI滤波器的设计,图示其测试频率的 F为其开关工作频率

C.产品的EMI测试曲线其准峰值有超标频段;开关电源的输入EMI滤波器的参数需要调整!

我的实践与理论数据:

1. F1频段与靠近150KHZ调整X电容越有效果

2. F2频段范围优化滤波器的共模电感搞定!

3. F3频段范围 滤波器Y电容,初次级的Y电容的设计是关键

开关电源EMI各个频段对应的频段测试数据分析:

A.F1频段与越靠近150KHZ的频段调整X电容效果越明显,过大的X电容会导致F3频段上升!

B.F2频段EMI输入滤波器的共模电感的设计按推荐参数轻松搞定并会有充足的裕量!

C.F3频段调整Y电容效果明显;注意调整不适合的Y电容值会导致F1频段上升!

D.如果EMI输入滤波器采用2级共模电感结构,后级共模电感感量过大会导致F3频段上升

更多设计应用实践及技术交流;请关注阿杜老师!

杜佐兵

电磁兼容线上&线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

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