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電源EMC設計基礎知識介紹

2024-08-19

EMC(電磁兼容性)包含EMIEMS,EMI(電磁干擾)是指因輻射/發(fā)射電磁波而對環(huán)境產(chǎn)生的干擾EMS(電磁敏感性)是指對電磁干擾的耐受性/抗擾度。


差模噪聲與共模噪聲

電磁干擾EMI大致可分為傳導噪聲和輻射噪聲兩種,傳導噪聲可分為差模噪聲和共模噪聲兩類。關于輻射噪聲,差模噪聲的線纜環(huán)路面積、共模噪聲的線長是非常重要的因素,即使條件相同,共模噪聲帶來的輻射遠遠大于差模噪聲。


開關電源產(chǎn)生噪聲原因

在開關時會產(chǎn)生急劇電流ON/OFF的環(huán)路中,會因寄生分量產(chǎn)生高頻振鈴=開關噪聲。這種開關噪聲可通過優(yōu)化PCB板布線等來降低,但殘留的噪聲也會作為共模噪聲傳導至輸入電源,因此需要采取防止噪聲漏出的措施。


低噪聲步驟

1、隨著開發(fā)進程的推進,可使用的降噪技術(shù)和手段越來越有限,成本也越來越高。在產(chǎn)品開發(fā)的初期階段,預先進行充分探討與評估,可以從容有效地采取降噪對策。

2、掌握噪聲的種類和性質(zhì),并針對不同的噪聲采取不同的有效對策。

3、按照把握“頻率成分→產(chǎn)生源和傳導路徑→強化GND→增加降噪部件”的步驟進行。  


開關電源如何降低噪聲

要想降低差模噪聲,可在電路板上縮小大電流路徑的環(huán)路面積,并增加最優(yōu)解耦和輸入濾波器。盡可能地抑制噪聲的發(fā)生源–差模噪聲是非常重要的,也關系到降低共模噪聲。要想降低共模噪聲,可縮短布線,抑制串擾,切斷(濾波)共模路徑。


輸入濾波器

開關電源的輸入濾波器,需要針對共模噪聲和差模噪聲分別采用不同的處理。對共模噪聲使用共模濾波器,共模濾波器是利用自感作用來阻止共模電流通過的濾波器。對差模噪聲使用由電容、電感、磁珠、電阻等部件組成的濾波器。


電容的頻率特性

降噪用電容的選型需要根據(jù)阻抗的頻率特性進行(而非容值)。容值和ESL越小,諧振頻率越高,高頻區(qū)域的阻抗越低。容值越大,容性區(qū)域的阻抗越低。ESR越小,諧振頻率的阻抗越低。ESL越小,感性區(qū)域的阻抗越低。


去耦電容的有效使用方法

使用多個電容或者降低電容的ESL。使用多個電容時,容值相同時和不同時的效果不同。通過降低電容的ESL,可改善高頻特性,更有效地降低高頻噪聲。有的電容雖然容值相同,但因尺寸和結(jié)構(gòu)不同而ESL更小。


理解Q與頻率-阻抗特性之間的關系,并根據(jù)目的區(qū)分Q的差異。高Q電容窄帶阻抗急劇下降,Q電容在較寬頻段相對平緩下降。PCB圖形的熱風焊盤等會增加電感分量,使諧振頻率向低頻端移動。電容量變化率大時,諧振頻率會變化,無法獲得目標頻率理想的噪聲消除效果。在溫度條件和變動較大的應用中,可以探討使用具有CH、C0G特性的溫度特性優(yōu)異的電容。


電感的頻率特性

電感在諧振頻率之前呈現(xiàn)感性特性(阻抗隨頻率升高而增加)。電感在諧振頻率之后呈現(xiàn)容性特性(阻抗隨頻率升高而減?。?。在比諧振頻率高的頻段,電感不發(fā)揮作為電感的作用。電感值L變小時,電感的諧振頻率會升高。電感的諧振點阻抗受寄生電阻分量的限制。


使用電感和鐵氧體磁珠降低噪聲

用于降噪的電感大致可以分為繞組型電感構(gòu)成的濾波器和利用鐵氧體磁珠進行熱轉(zhuǎn)換兩種。  鐵氧體磁珠與普通電感相比,具有電阻分量R較大、Q值較低的特性。普通的電感可容許較大的直流疊加電流,只要在其范圍內(nèi),阻抗不怎么受直流電流的影響。鐵氧體磁珠對于直流電流容易飽和,飽和會導致電感值下降,諧振點向高頻段轉(zhuǎn)移。普通電感構(gòu)成的濾波器,可選電感值的范圍較寬。鐵氧體磁珠的Q值較低,因此在較寬頻率范圍內(nèi)具有有效的降噪效果。


串擾

平行的布線間會產(chǎn)生串擾。串擾的因素有雜散(寄生)電容引發(fā)的電容(靜電)耦合和互感引發(fā)的電感(電磁)耦合。有些PCB板布線布局,會因串擾而導致濾波效果下降。π型濾波器的電容的GND的某些設置方法可能會帶來地線反彈噪聲,需要優(yōu)化PCB板布線布局。


RC緩沖電路

RC緩沖電路可通過電阻將寄生電容、寄生電感等產(chǎn)生的尖峰電壓轉(zhuǎn)換為熱,從而降低尖峰電壓。增加緩沖電路可能會導致效率降低,需要尋求噪聲水平和效率之間的平衡點。電阻是將噪聲電壓轉(zhuǎn)換為熱,需要注意電阻的容許損耗。


任何電磁兼容性問題都包含三個要素,干擾源、敏感源和耦合路徑。

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