工程师:开关电源PCB电磁兼容(EMC)性建模分析

最新更新时间:2014-01-23来源: 电源网关键字:开关电源  PCB  电磁兼容 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

开关电源的共模干扰和差模干扰对电路的影响是不同的,通常低频时差模噪声占主导地位,高频时共模噪声占主导地位,而且共模电流的辐射作用通常比差模电流的辐射作用要大得多,因此,区分电源中的差模干扰和共模干扰是很有必要的。

为了区分出差模干扰和共模干扰,首先需要对开关电源的基本耦合方式进行研究,在此基础上我们才能建立差模噪声电流和共模噪声电流的电路路径。开关电源的传导耦合主要有:

电路性传导耦合、电容性耦合、电感性耦合以及这几种耦合方式的混合。

共模和差模噪声路径模型

开关电源中由于高频变压器原副边绕组之间存在的耦合电容CW、功率管与散热器之间存在的杂散电容CK、功率管自身的寄生参数以及印制导线之间由于相互耦合而形成的互感、自感、互容、自容、阻抗等寄生参数而构成共模噪声和差模噪声通路,从而形成共模和差模传导干扰。在对功率开关器件、变压器以及印制导线的电阻、电感、电容的寄生参数模型进行分析的基础上,可获得变换器的噪声电流路径模型。

电路主要元器件的高频模型

功率开关管的内部寄生电感、电容影响到电路的高频性能,这些电容使得高频干扰漏电流流向金属基板,而且功率管与散热器之间存在着一个杂散电容CK ,出于安全的原因,散热器通常是接地的,这就提供了一条共模噪声通路。

图1 半桥变换器示意图

在PWM变换器工作时,伴随着开关器件的工作,也相应产生了共模噪声。如图1 所示,对于半桥变换器,开关管Q1 的漏级电压始终为U1,源级电位随开关状态的改变而在0 和U1/2 之间变化;Q2 的源极电位始终为0,漏极电位在0 和U1/2之间变化。为使开关管和散热器能保持良好接触,往往在开关管底部与散热器之间加上绝缘垫片或者抹上导热性能良好的绝缘硅胶。这使得A 点对地之间相当于存在一个并联耦合电容CK。当开关管Q1、Q2 的状态发生改变,使A点电位发生变化时,就会在CK 上产生噪声电流Ick,如图2所示。该电流由散热器到达机壳,而机壳也即大地与主电源线存在耦合阻抗,形成图2中虚线所示的共模噪声通路。于是,共模噪声电流在地与主电源线的耦合阻抗 Z 上产生压降,形成共模噪声。

图2 开关管对地电容形成的共模电流回路

隔离变压器是一种广泛使用的电源线干扰抑制措施。其基本作用是实现电路之间的电气隔离,解决由地线环路带来的设备间相互干扰。对于理想的变压器,它只能传送差模电流而不能传送共模电流,这是因为对于共模电流,它在理想变压器的两个端子之间的电位相同,因此不能在绕组上产生磁场,也就不能够有共模电流通路了,从而起到了抑制共模噪声的作用。

而实际的隔离变压器原边和副边之间有一个耦合电容CW,这个耦合电容是由于变压器的绕组之间存在非电介质和物理间隙所产生的,它为共模电流提供了一个通路。

如图2 所示,A 点是电路中电压变化最强的区域,它也是产生噪声的最强的区域。伴随着电路的高频开关工作,该点的高频电压通过变压器初次级之间的分布电容Cps、电源线对地线的阻抗、变压器次级印制线自身的阻抗、电感、电容等参数,而形成变压器的共模噪声路径。普通隔离变压器对共模噪声有一定的抑制作用,但因绕组间分布电容使它对共模干扰的抑制效果随频率升高而下降。普通隔离变压器对共模干扰的抑制作用可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容之比值来估算。通常初次级间的分布电容为几百pF,设备对地分布电容为几~ 几十nF,因而共模干扰的衰减值在10~20 倍左右,即20~30dB。为了提高隔离变压器对共模噪声的抑制能力,关键是要耦合电容小,为此,可以在变压器初次级间增设屏蔽层。屏蔽层对变压器的能量传输无不良影响,但影响绕组间的耦合电容。带屏蔽层的隔离变压器除了能抑制共模干扰外,利用屏蔽层还可以抑制差模干扰,具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线端。对50Hz 工频信号来说,由于初级与屏蔽层构成的容抗很高,故仍能通过变压器效应传递到次级,而未被衰减。对频率较高的差模干扰,由于初级与屏蔽层之间的容抗变小,使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网,而不进入次级回路。

因此,对变压器的高频建模非常重要,特别是变压器的许多寄生参数,例如:漏感,原副边之间的分布电容等,它们对共模EMI 电平的高低有着显着的影响,必须加以考虑。实际中,可以使用阻抗测量设备对变压器的主要参数进行测量,从而获得这些参数并进行仿真分析。

半桥电路中的直流电解电容Cin有相应的串联等效电感ESL 和串联等效电阻,这两个参数也影响到电路的高频性能,一般情况下ESL 大约在几十nH 左右。在实际分析中,无源元件,如电阻器、电感器和电容器的高频等效寄生参数可用高频阻抗分析仪测得,功率器件的高频模型可以从电路仿真软件的模型库中得到。

另外一个对电路的高频噪声影响较大的因素是印制板上印制导线(带状线)的相互耦合,当一个高幅度的瞬变电流或快速上升的电压出现在靠近载有信号的导体附近,就将产生干扰问题。印制导线的耦合情况通常用电路和导线的互容和互感来表征,容性耦合引发耦合电流,感性耦合引发耦合电压。PCB 板层的参数、信号线的走线和相互之间的间距对这些参数都有影响。

建立印刷电路板走线高频模型和提取走线间寄生参数的主要困难是决定印刷板线条单位长度的电容量和单位长度的电感量。通常有三种方法可以用来决定电感、电容矩阵元件:

(1)有限差分法(FDM);(2)有限元法(FEM);(3)动量法(MOM)。

当单位长度矩阵被精确的决定以后,通过多导体传输线或部分元等效电路(PEE C)理论,就可以得到印刷电路板走线的高频仿真模型。Cadence 软件是一种强大的EDA 软件,它的SpecctraQuest 工具可以对PCB 进行信号完整性和电磁兼容性分析,用它也可以对印刷电路板走线进行高频建模,实现对给定结构的PCB 进行参数提取,并且生成任意形状印制导线走线的电感、电容、电阻等寄生参数矩阵,然后利用PEEC 理论,就可以进行EMC 仿真分析。

共模和差模噪声的电路模型

通常电路中的共模干扰和差模干扰是同时存在的,共模干扰存在于电源的任意一个相线与大地之间,差模干扰存在于相线与相线之间。法国 Grenoble 电技术实验室的Teuling、Schnaen 和Roudet 基于由MOSFET 构成的400W、开关频率为100KHz 的斩波电路实验模型的研究表明,低频时差模干扰占主导地位;高频时,共模干扰占主导地位,这说明开关电源的差模干扰和共模干扰对电路的影响程度是不同的;另一方面,线路寄生参数对差模干扰和共模干扰的影响也不同,由于线间阻抗与线———地阻抗不同,干扰经长距离传输后,差模分量的衰减要比共模大。因此,为了解决开关电源的传导噪声问题,需要首先区分共模和差模干扰,这就需要建立共模和差模噪声路径,然后对它们分别进行仿真和分析,这种方法便于我们找到电磁干扰问题的根源,便于问题的解决。

在工程上可以用电流探头来判断电源是共模还是差模占主导地位,探头先单独环绕每根导线,得出单根导线的感应值;然后再环绕两根导线,探测其感应情况,如果感应值是增加的,则线路中的干扰电流是共模的,反之是差模的。在理论分析中,针对不同的系统,需要分别建立它们的共模和差模噪声电流模型,在我们上述分析的基础上,综合考虑功率器件的高频模型和印制导线相互耦合关系,我们得到了半桥QRC 变换器的共模和差模干扰电路模型,它示于图3。图中的LISN(Line ImpedenceStabilizing network) 是EMC 检测规定的线性阻抗固定网络。因为对于50Hz 工频信号LISN 的电感表现为低阻抗,电容表现为高阻抗,所以对工频信号LISN 基本不衰减,电源可以经LISN 输送到半桥变换器中。而对于高频噪声,LISN 的电感表现为大阻电容可以视为短路,所以LISN 阻止了高频噪声在待测设备和电网之间的传送,因此,LISN 起到了为共模和差模干扰电流在所需测量的频段(典型值为100KHz ~30MHz)提供一个固定的阻抗(50ohm)的作用。

图3 半桥QR C 变换器的噪声模型

在上图中,共模噪声电流分别从两套LISN 出发,经过电路开关器件、变压器、PCB 印制导线、副边电路,又回到LISN 形成共模噪声电流回路。差模噪声电流则在两套LISN、印制导线、开关器件、变压器之间形成回路。共模噪声和差模噪声可以分别取自两套LISN的电阻上电压的之差的一半或之和的一半。

即:

所以:

用同样的方法,可以很方便的得到其它拓扑的传导干扰电路模型。

关键字:开关电源  PCB  电磁兼容 编辑:探路者 引用地址:工程师:开关电源PCB电磁兼容(EMC)性建模分析

上一篇:技术分享:一款低压大电流开关电源的电路设计
下一篇:小贴士:开关电源EMI频段干扰原因及抑制办法

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:34

浅谈彩色电视机开关电源的工程设计(下)
Abstract:The special requests on flyback converter for TV sets,some technique ticklers and countermeasures were discussed. A design example and the procedures for research and development of TV power supplies are also given. Keywords:SMPS for Color TV; Flyback converter; Design   3 彩色电视机对反激型变换器的设计要求及其技术难点 图
[电源管理]
浅谈彩色电视机<font color='red'>开关电源</font>的工程设计(下)
开关电源维修的方法及经验总结
  当开关 电源 出现问题时,该如何进行维修呢?本文具体描述了开关电源维修的方法步骤以及一些经验总结。    开关电源维修具体方法   开关电源维修的时候,我们首先需要利用万用表检测一下各功率器件是否存在击穿短路,例如电源整流桥堆、开关管、高频大功率整流管、抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断等,然后需要再检测各输出电压端口电阻是否异常,如上述器件有损坏的情况我们则需要进行更换新的器件。   我们在完成上述检测之后,接通电源后如还不能正常工作,接着我们就要检测功率因数模块(PFC)和脉宽调制组件(PWM),查阅相关资料,熟悉PFC和PWM模块每个脚的功能及其模块正常工作的必备条件。   对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电
[电源管理]
关于PCB板元件布置排版的五点基本要求
贴片加工中PCB元件布置合理是设计出优质的PCB图的基本前提。关于元件布置的要求主要有安装、受力、受热、信号、美观五方面的要求。 1、安装 指在具体的应用场合下,为了将电路板顺利安装进机箱、外壳、插槽,不致发生空间干涉、短路等事故,并使指定接插件处于机箱或外壳上的指定位置而提出的一系列基本要求。 2、受力 贴片加工中电路板应能承受安装和工作中所受的各种外力和震动。为此电路板应具有合理的形状,板上的各种孔(螺钉孔、异型孔)的位置要合理安排。一般孔与板边距离至少要大于孔的直径。同时还要注意异型孔造成的板最薄弱的截面也应具有足够的抗弯强度。板上直接“伸”出设备外壳的接插件尤其要合理固定,保证长期使用的可靠性。 3、受热 对于大功率
[电源管理]
解析:LED开关电源技术四大趋势
随着 LED照明 产业的快速发展, LED 电源市场也快速膨胀。一方面,传统电源厂商纷纷推出LED电源产品,另一方面,众多创业型的企业也纷纷成立。根据专家分析未来LED电源的四大发展趋势。    一、非隔离DC/DC技术迅速发展   近年来,非隔离DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。如台式PC机就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压,主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而大多数低压供电电流都很大,因此开发了很多非隔离的DC/DC,它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率
[电源管理]
在分布式电源系统中采用集成DC-DC转换器
    通过使用单个大功率、隔离型DC-DC模块将48V电压转换成一个中等电源,如12V或更低电压,可以获得较好的系统性能。将这一中等电压再转换到系统负载所要求的具体电压。这样的电压转换可以通过非隔离、负载点电源实现,如图1右侧框图所示。对于第二级电源转换,集成开关稳压器是非常理想的选择,因为输入电压(≤ 12V)和输出电流( 10A)相对较低。 图1. 与电信单板上传统的分布式电源" 分布电源 架构(左边)相比,集成开关调节器(右边)具有更高效率和可靠性,能够加快设计进程、缩小电路板面积。 采用集成开关调节器的优势     电子行业的很多领域,包括电源电子行业,其共同目标是集成系统元件,以降低总体成本、提高可靠性,
[电源管理]
在分布式电源系统中采用集成DC-DC转换器
在微型模块封装中整合高效开关电源转换及低噪声线性稳压
具有高速度或高分辨率功能的器件需要干净的电源。 开关稳压器 虽能在多种输入 / 输出条件下提供高效率,但典型的开关电源则很难具备高数据速率 FPGA I/O 通道或高比特数数据转换器所需的干净、低输出噪声和快速瞬态响应特性。与此相反,高性能线性稳压器却拥有低输出噪声和快速瞬态响应,但其升温很快。 LTM8028 兼具上述两者的最佳特性,这是一个受控于 UltraFast™ 线性稳压器的高效率同步开关转换器,它们都被集成在一个 15mm x 15mm 的小型 µModule® 封装中。该封装具有 LGA (4.32mm 高) 和 BGA (4.92mm 高) 两种引线型式,均符合 RoHS 标准。 线性稳压器负责将开关电源的输出控制
[电源管理]
在微型模块封装中整合高效<font color='red'>开关电源</font>转换及低噪声线性稳压
工程师为您讲解:开关电源中RC缓冲电路的设计
在带变压器的 开关电源 拓扑中,开关管关断时,电压和电流的重叠引起的损耗是 开关电源 损耗的主要部分,同时,由于电路中存在杂散电感和杂散电容,在功率开关管关断时, 电路 中也会出现过电压并且产生振荡。如果尖峰电压过高,就会损坏开关管。同时,振荡的存在也会使输出纹波增大。为了降低关断损耗和尖峰电压,需要在开关管两端并联缓冲电路以改善电路的性能。 缓冲 电路 的主要作用有:一是减少导通或关断损耗;二是降低电压或电流尖峰;三是降低dV/dt或dI/dt。由于MOSFET管的电流下降速度很快,所以它的关断损耗很小。虽然MOSFET管依然使用关断缓冲电路,但它的作用不是减少关断损耗,而是降低变压器漏感尖峰电压。本文主要针对MOSFET管的
[电源管理]
工程师为您讲解:<font color='red'>开关电源</font>中RC缓冲电路的设计
RIGOL开关电源测试方案
  近几年,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,程控交换机、通讯、电子设备、控制设备等都已广泛地使用了开关电源,大大促进了开关电源技术的迅速发展。在开关电源向高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化方向发展的同时,也对产品设计验证和功能测试提出了更为严格的要求。本文中将以国内测试测量厂商RIGOL(北京普源精仪科技有限责任公司)的产品为例介绍一些开关电源的常用测试方案。   本测试方案中用到的仪器分别是RIGOL DS1302CA数字示波器、DM3064数字万用表及DG系列函数/任意波形信号发生器。   数字示波器应用方案   1、瞬态响应信号测量:   负载瞬变时间是一项动态时间,它是负载电流
[应用]
小广播
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty
随便看看
    502 Bad Gateway

    502 Bad Gateway


    openresty
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
502 Bad Gateway

502 Bad Gateway


openresty