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MCM功率電源模塊EMC技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2009-08-10

中心議題:
  • 電路的設(shè)計(jì)技術(shù)
  • 抑制干擾源技術(shù)
  • 產(chǎn)品平面轉(zhuǎn)化時(shí)EMC設(shè)計(jì)技術(shù)
  • 地線設(shè)計(jì)技術(shù)
解決方案:
  • 采取平面式或多點(diǎn)接地
  • 采用罐型磁芯減小變壓器漏感的影響
  • 通過緩沖電路延緩功率開關(guān)管的通斷過程
  • 采用R、C吸收電路降低其電磁干擾的EMI電平
對MCM功率電源而言,由于其工作在幾百kHz的高頻開關(guān)狀態(tài),故易成為干擾源。從國外同類公司的報(bào)告及實(shí)際措施來看,解決DC/DC變換器電磁干擾主要就是滿足10kHz~10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射(即國軍標(biāo)GJB151A-97中CE102)的要求。

解決的關(guān)鍵技術(shù)

1電路的設(shè)計(jì)技術(shù)

通過EDA仿真,利用可靠性優(yōu)化和可靠性簡化技術(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù),著重解決如下問題。

①線路的自激振蕩:合理地選擇消振網(wǎng)絡(luò),消除DC/DC變換器的R、L、C參數(shù)選取的不合理性引起的振蕩,減小EMI的電平。DC/DC電源由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài),很容易形成高頻自激,有時(shí)反應(yīng)為帶滿載時(shí)正常帶輕載時(shí)自激,有時(shí)反映為常溫時(shí)正常高溫或低溫時(shí)自激,因此元器件的選取、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用顯得尤為重要。

②紋波與噪聲的有效抑制:抑制的方法大致可以歸結(jié)為二類,即降低本身的紋波與噪聲和設(shè)計(jì)濾波電路。

為了抑制外來的高頻干擾,也為了抑制DC/DC變換器對外傳導(dǎo)干擾,通過在DC/DC變換器的輸入端、輸出端設(shè)計(jì)濾波電路,抑制共模、差模干擾,降低EMI電平。其中,C1、C2、C3為差模濾波電容,C4、C5為共模濾波電容,L1為共模扼流圈,L2為差模濾波電感。

為了減少DC/DC變換器通過輸入、輸出端傳導(dǎo)EMI,除了在輸入、輸出端采取LC濾波外,還在電源的輸入地到金屬外殼之間、輸出地到金屬外殼之間增加高頻濾波電容,以減少共模干擾的產(chǎn)生。但此處要注意電容耐壓要大于500V,以滿足產(chǎn)品隔離電壓的要求。

圖中,L1、C1組成的輸入濾波電路和L2、C2組成的輸出濾波電路能減少紋波電流的大小,從而減少通過輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C1、C2采用多個(gè)電容并聯(lián),以減少等效串聯(lián)電阻,從而減小紋波電壓。C3、C4、C5、C6用于濾除共模干擾,其值不宜取大,以避免有較大的漏電流。

2抑制干擾源技術(shù)

DC/DC變換器的主要干擾源有高頻變壓器、功率開關(guān)管及整流二極管,為此逐一地采取措施。

①高頻變壓器

在開關(guān)電源中,變壓器在電路中起到電壓變換、隔離及能量轉(zhuǎn)化作用,其工作在高頻狀態(tài),初、次級將產(chǎn)生噪聲并形成電磁干擾EMI。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),高頻變壓器漏感會產(chǎn)生反電動勢E=-Ldi/dt,其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比,與漏感量成正比,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,從而形成傳導(dǎo)性電磁干擾。

變壓器在開關(guān)電源中是用來隔離和變壓的,但在高頻的情況下它的隔離是不完全的,變壓器層間的分布電容使開關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。此外,變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通道,從而使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁波更容易在其他引線上耦合形成噪聲。因此,在設(shè)計(jì)中采取了以下措施。[page]

                                   
                                                     圖1濾波器的原理圖


為減小變壓器漏感的影響,采用初、次級交叉繞制的方法,并使其緊密耦合。盡可能采用罐型磁芯。由于罐型磁芯可以把所有的線圈繞組封在磁芯里面,因此具有良好的自我屏蔽作用,可以有效地減少EMI。

                                            
                                                             圖2輸入輸出濾波電路

為吸收上升沿和下降沿產(chǎn)生的過沖,并有可能造成的自激振蕩,在初、次級電路中增加R、C吸收網(wǎng)絡(luò),以減少尖峰干擾。在調(diào)試時(shí)須仔細(xì)調(diào)整R、C的參數(shù),確保電阻R1的值在30~200Ω,電容C1的值在100~1000P之間,以免影響變壓器的效率。

②功率開關(guān)管

由于功率管工作于高頻通斷開關(guān)狀態(tài),將產(chǎn)生電磁干擾EMI。當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流時(shí),大體上形成了矩形波,含有許多高頻成分。由于開關(guān)電源使用的元件參數(shù)(如開關(guān)管的存儲時(shí)間、輸出級的大電流、開關(guān)整流管的反向恢復(fù)時(shí)間)均會造成回路瞬間短路,產(chǎn)生很大短路電流。

凡有短路電流的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可形成噪聲源。開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器,在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間,變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流,造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖,輕者造成干擾,重者有可能擊穿開關(guān)管。因此,須采取以下措施。

優(yōu)化功率管的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。通過緩沖電路,可以延緩功率開關(guān)管的通斷過程。

采用R、C吸收電路,從而在維持電路性能不變的同時(shí),降低其電磁干擾的EMI電平。

③整流二極管

整流二極管在關(guān)斷期,由于反向恢復(fù)時(shí)間會引起尖峰干擾。為減少這種電磁干擾,必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管。肖特基勢壘二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)流,不存在少子的存儲與復(fù)合效應(yīng),因而也就會產(chǎn)生很小的電壓尖峰干擾,故采取以下措施。

●采用R1、C1組成旁路吸收網(wǎng)絡(luò)。
●采用多個(gè)肖特基并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載電流,有效地抑制整流二極管形成的EMI電平。

3產(chǎn)品平面轉(zhuǎn)化時(shí)EMC設(shè)計(jì)技術(shù)

影響產(chǎn)品EMC的方面很多。除了在線路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外,如何在基片有限的空間內(nèi)合理的安排元器件的位置以及導(dǎo)帶的布線,也將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和產(chǎn)品的電磁兼容性EMC指標(biāo)。

①平面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)規(guī)范

對于電源內(nèi)部高頻開關(guān)器件,如功率VMOS管、高頻變壓器、整流管等,應(yīng)盡可能地減少其電路電流的環(huán)路面積,且不要與其他導(dǎo)帶長距離平行分布。

電源的輸入正端和地線應(yīng)盡可能地靠近,以減小差模輻射的環(huán)路面積。

設(shè)計(jì)布線時(shí)走線盡量少拐彎,拐彎處一般取圓弧形,因?yàn)橹苯腔驃A角會產(chǎn)生電流突變,產(chǎn)生EMI干擾。導(dǎo)帶上的線寬不要突變,無尖刺毛邊。
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導(dǎo)帶印制時(shí)應(yīng)盡量采用高目數(shù)的印制網(wǎng),以便使線電流達(dá)到均衡。應(yīng)選用電流噪聲系數(shù)較小、性能穩(wěn)定性較好的電阻漿料和導(dǎo)帶漿料,保證不會因?yàn)楣に噮?shù)的因數(shù)帶來新的干擾。

盡可能地加粗地線,若地線過細(xì),接地電位則隨電流的變化而變化,致使電路的信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。
                                             
                                                                    圖3初級吸收網(wǎng)絡(luò)


②采用金屬全密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝

屏蔽有兩個(gè)目的,一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出,二是防止外來輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量進(jìn)行反射、吸收和引導(dǎo)。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁騷擾對其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工金屬外殼,然后將金屬外殼與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對電磁場進(jìn)行有效的屏蔽。
                                              
4地線設(shè)計(jì)技術(shù)

為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,還應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后,再連接到公共參考點(diǎn)上,如果有可能最好設(shè)計(jì)地線層。

為減小變壓器漏感的影響,采用初、次級交叉繞制的方法,并使其緊密耦合。盡可能采用罐型磁芯。由于罐型磁芯可以把所有的線圈繞組封在磁芯里面,因此具有良好的自我屏蔽作用,可以有效地減少EMI。
                                                
                                                                     圖2輸入輸出濾波電路

為吸收上升沿和下降沿產(chǎn)生的過沖,并有可能造成的自激振蕩,在初、次級電路中增加R、C吸收網(wǎng)絡(luò),以減少尖峰干擾。在調(diào)試時(shí)須仔細(xì)調(diào)整R、C的參數(shù),確保電阻R1的值在30~200Ω,電容C1的值在100~1000P之間,以免影響變壓器的效率。

②功率開關(guān)管

由于功率管工作于高頻通斷開關(guān)狀態(tài),將產(chǎn)生電磁干擾EMI。當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流時(shí),大體上形成了矩形波,含有許多高頻成分。由于開關(guān)電源使用的元件參數(shù)(如開關(guān)管的存儲時(shí)間、輸出級的大電流、開關(guān)整流管的反向恢復(fù)時(shí)間)均會造成回路瞬間短路,產(chǎn)生很大短路電流。

凡有短路電流的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可形成噪聲源。開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器,在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間,變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流,造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖,輕者造成干擾,重者有可能擊穿開關(guān)管。因此,須采取以下措施。
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