开关电源电磁干扰问题分析

1、 目 錄 目錄 1 目的 2 問題 2-6 問題簡析 6-7 五 對策方案 7 101 對主開關管2 對變壓器3 對极管4 對貯能電感5 對外加干擾六 實例應用 10-17七 結論 171 PDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 21. 目的 :自然現象產生的電子擾動或因某些設備引起的其它設備的非正常響應都可 稱為電磁干扰 (EMI electromagnetic interference .而電磁兼容 (EMCelectromagnetic compatibility則与 EMI 相反 , 是確保系統或設備不產生電磁幹擾 的技術 .對電源供應器 , 則 要求我

2、們所 設 計 的電源不可以幹擾 到 系統的正常 運行 , 同時 也希望 電源對系統的幹擾 有 定 的 免疫力 . 另 外 , 由于 EMI 的不可 視性和隨機性 , 給我們 的設 計帶來了很大 的 困 擾 , 是電源設 計 的 大難 題 !本文將 以 PSA54U-201為例 , 對 EMI 和 EMC 進行 系 列 的 討 論 , 希望 能 尋求 到 些可 普遍運 作的 解決 方案 .2. 問題此機种在最初 的 時候 ,CE 和 RE 都 比較高對 于 CE, 在低頻端 (0.15M 0.5M 和高頻部份 (10M 15M 比較高 ,MARGIN 不 夠 (客戶認 為 , 若超過了第 條線

3、則為不 PASS. 尤 其是 FCC, 後面那部份很高 , 已超出了規格很多 .而 RE, 則 在 50M 至 70M 內 的 值比較高 , 超出快 20Db. 參照 以 圖樣圖 1 conduction testEN55022-B LINE0.208M 58.1 -6.7 22.1M 47 -8PDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 3圖 2 conduction testEN55022-B NEUTRAL0.21M 57 -7圖 3 conduction testFCC-B LINE22.3M 45.4 -1.2圖 4 conduction test FCC

4、-B NEUTRALPDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 40.48M 37.6 -10.4 22.3M 47.2 0.1圖 5 radiation test EN55022-BVERTICAL62.1M 47.6 56.3M 38圖 6 radiation test EN55022-B HORIZONTALPDF 檔案以 "PDF 製作工廠 " 試用版建立 64.5M 37.6圖 7 radiation test FCC-BVERTICAL 60.3M 50.856.3M 41圖 8 radiation test FCC-B NEUTRA

5、L 63.1M 47.1172M 42.5由 以 波形 ,EMI 的問題 顯 而 易見 !3. 問題簡析圖 9 PSA54U-201的 線路圖 此機种 為 PSA65U-301的 衍 生 機 型 , 在 做處理 時 , 只 是 單純 的 把 另 外 組輸 出 給 去掉 , 而變壓器 沒做改 變 , 這 樣帶來了很多 隱患 .EMI 雜訊 的 來 源我認 為 雜訊 的產生 在 於 電 流 或電壓的 急劇 變 化 (d i /dt 和 d v /dt 很大 , 因 此高 功 率 和高頻 率 運 作的器 件 都是 EMI 雜訊 的 來 源 .對 power 來 說 , EMI雜訊 的 來 源 有a

6、開關管b 變壓器c 极 體d 貯能電感e 外 界 幹擾的 耦合 (輸入 端和 輸 出端 4. 對策方案個 認 為電磁幹擾是 种 能 量 , 無法 不 讓 它產生 , 只 有 用 定 的 辦法去減小 其 對系統的干擾 . 另 外正因為它是 种 能 量 , 對 於整個 power 來 說 . 其 總共 的能 量 是 定 的 , 我們 可以 采 用方 法去降 低 某 個 頻 段 的干擾 , 但 個 頻 段 的壓 低 就會 引起 另 個 頻 段 能 量 的 升 . 因 此 , 我們 需 要 的是 整個 系統的 平衡 . 可用 到 的方 法 可 分 為 兩 大 類 : 种 是 讓 能 量泄放掉 ; 另

7、种 是 把 能 量 給 擋個 外 部 . 也 可以 說 种 方 法 是 減 小 其產生的 幅度 , 另 种 則 切斷 其 傳播途徑 .因 此 , 最有 效 的 辦法 是 把 電源 給 完全屏蔽 .4.1 對開關管在 power 的工作 過 程 , 開關管 直處 在快 速 的關 與斷 的 狀態 , 而 由 於 開關管 結 面 電容的 存 在 , 開關管 在快 速 開關的 時候 就會 產生 定 的 尖峰 , 這 樣 就會 有 些noise 發射 出來 . 另 外開關管的結 面 電容 和 變壓器的 繞組 電感 也有 可能產生 諧振 而 發 出 幹擾 .對 此 可 采 用的方 法 有1 在 D 极 和

8、 G 极加 core, 這 樣 等於 加 了 個小 電感 , 使 開關管的電 流 變 化率 不 會 太 大 , 可 減小尖峰 的 大 小2 在 開關管 處 加 snubber同樣 的 , 此 方案 也 是為 了 使 開關管 在快 速 工作 時 的 尖峰 不 要 太 大 , 使 其電壓或 電 流 能 緩慢 升 .圖 10 Q1的 波形 3 減小 開關管 與周邊 元 件 的壓 差 ,這 樣 的 話 , 則開關管的結 面 電容可 充 電的 程度會 得 到 定 的 降 低 ,4.2 對變壓器變壓器是 power 的貯能 元 件 , 在 能 量 的 充 放 過 程 , 就 可能 會 產生 雜訊 幹 擾

9、.對 此我們 可 采 用的方案 有1 把 變壓器 法 拉 第 屏蔽讓 變壓器產的 雜訊 不 發射 出來2 減緩 能 量 的 快 速 充 放3 次側 的可 靠隔離4.3 對极 體同樣 的 , 极管 在快 速 截止 與 導通 的 過 程 會 有 spike 的產生 . 且 它的正常 與 否 很 密 切 的關 係 開開關管 和 變壓器的工作 . 因 此我們在 對 次 整流 极 體做處理 時 , 定要同時 檢測 開關管 和 變壓器的工作 波形 .1 加 RC 緩 衝 器讓 极 體 的能 量 能 平緩 的 泄放2 在 其管 腳 個 加 bead core使 其電 流 不可 突 變以 減小 spike4.

10、4 對貯能電感類 似 於 變壓器 , 可對其加 屏蔽4.5 外 界 幹擾的 耦合 (輸入 端和 輸 出端 對 輸入 端此 處 是 整個 電源的 入 口 處 , 外 部 電 网 的些 雜訊 都 有 可能 從 此 處 進來 , 從 而幹 擾 到 電源 內部 些 元 件 的正常工作 . 與 此同時 , 電源 內部 的 雜訊 也 是 由此 傳播 到 外 部 電 网 , 對外 界 造成 干擾 . 般 我們在 這 里 都 有 些 X 電容 和 Y 電容以 及 noise filter對 雜訊 進行過 濾 . 如 圖所 示 圖 11 濾 波 電 路 1其 些 雜訊 可 直 接通 過 電容 bypass 到大

11、 , 另 些則 被 由 電容 和 電感 組 成 的 濾 波 阻 擋 在 外 面 .對些 功率 比較大 的電源 , 般 都可 采 用 級連 的 辦法 , 在 級 共 模濾 波後 再 加 級差模濾 波來 減小雜訊 的干擾 (見圖 圖 12 濾 波 級連我們 可 適當 的 X 電容 值和 Y 電容 值 以 及 NF 值 對 傳 導 幹擾可 達 到 定 的目的 . 對 輸 出端 (尤 其是 長 DC CORD電源 給 系統 搭配后 , 系統 內部 的些 雜訊就 可能 由 DC CORD而 傳 到 電源的 內部 , 而 且 外 界 的些幹擾 也有 可能 通 過 DC CORD耦合 到 電源 內部 , 產

12、系 列 的 干擾 .對 於 由此 而產生的干擾 , 最 好 的 辦法 是 同 對 付 輸入 端 的幹擾 樣 去 加些 共 模濾 波和 差模濾 波 . 但 是 在 實 際 不 太 可能 去做這 些工作 , 因 此我們 只 能 從 DC CORD 去 著手 .首先 對 於直 接 由 系統 內部 傳 過來 的干擾 我們 可以 在 DC CORD 加些磁 環 以 及 filter core去減小 其 noise而對 於耦合 在 DC CORD 的 雜訊 , 我們 可以加 強 DC CORD的 抗 幹擾能 力 , 比 方 說 給 它加 屏蔽 , 讓 外 界 的 雜訊 不 易 從 它 耦合 到 電源 內部

13、 .5. 實例應用由 開 始 所 提 供的 EMI 圖樣 可 知 ,CONDUCTION 的 LINE 線要比 NEUTRAL 線高 . 而 RADIATION 的 VERTICAL 要比 HORIZONTAL 高多 . 故 以 後 只 提 供 CPNDUCTION 的 LINE 線 以 及 RADIATION 的 VERTICAL 兩 种波形圖 !對 於 本機种 , 由 於 其 安 規已 申請 , 故 在 EMI 的 改 善 過 程 有 個 很大 的 難 題是不 可以 去 很大 幅度 的 改 動其 安 規 元 件 , 而 添 加外 圍 電 路 的 前提 也 是不可以 去 動 PCB! 對 圖

14、 1, 可 看 到 輸入 部份和 輸 出部份很高 , 對 輸 出那 段 , 可以 在 DC CORD處 加 個 磁 CORE, 結 果如 圖 11圖 13變 更 DC CORD 後 的CONDUCTION 由圖 可 看 到 , 在 20M 到 30M 內 的 尖峰 已 削 平 到了 40Db 左右 .對 輸入 部份最 直 接 的對策是 把 NOISE FILTER加 大 , 而 由 於 此 是 安 規 元 件 ,對 此我 請教 過 安 規 的 專家 , 她 們認 為 在 變 更 此 類 元 件 時 , 只 要 對 周 過 的 元 件 的 影 響 不 很大 , 溫差 不 會 超過 20 則可 認

15、 為變 換 後 安 規 仍 不變 . 對 此 , 我 把 NF 由 開 始 的 16mH 左右 加 大到了 23mH 左右 . 變 更 後 的 圖 如 圖 12:圖 14 變 更 NF 後 的 CONDUCTION 圖 (EN55022 圖 15 變 更 NF 後 的 CONDUCTION 圖 (FCC由圖 可 看 到 , 在 500K 以 前 的 峰 值 都 已有了 降 , 不 過在 0.5 2M 間 的 峰 值 都 有了 定 程度 的 提 高 , 由此帶來了另 個患 , 在此 暫且 不 提 .到此 可 認 為 ,CONDUCTION 已 修 改 成 功 .面 再 來 看看 RADIATIO

16、N:對 於 此 類 干擾 , 我們要 借助 系 列 的工 具 , 最 好 能用 步譜 分 析 儀 , 那樣 可以 定 頻 率 的 分 析 到 每 個 頻 段 的幹擾的 高低 , 不 過此 方 法 要 用的 頻 譜 分 析 儀 不可 多求 , 故 可 采 用 更 ” 原 始 ” 點 的方 法 , 可以 把 個小 電感 (感 值很 小 , 且 絕緣良 好 很 好 的 屏 蔽 后 (只 留 其 接 收 端在 外 把 它的 兩個 引 腳接 到 示 波 器 , 把 示 波 器的 頻帶 限制 去掉 後 選 用 定 的檔 位 , 把 接 收 端 去 接 觸 工作 著 的 POWER 的 各 個 點 , 如果

17、 電感 選 取 合 適 的 話 , 則 從示 波 器 接 收 到 的 信號 就 是 你 所 接 觸點 的 發 出 的 信號 , 可以 很 精 確的 這 點 分 析 到 幹擾源 . 對 本機种 采 用 此 方 法 可以 看 到在 Q1,D51,D52,D53,REC, TRANSFORMER 處 的幹擾 信號 最 強 .5.1首先 , 我 看 了 屏蔽 的 效 果 , 用 塊 屏蔽 板 加 在 電源 , 形 成 雙層 屏蔽圖 16 屏蔽 電源 可 看 到 , 加 了 塊 屏蔽 板 以 後 整個 頻 段 的 峰 值 都可以壓 去 .5.2在 Q1的 D 极加 了 個 BEAD CORE圖 17 Q1的 D 极加 BEAD CORE 可以 看 到 , 加 了 磁 環 以 后 , 峰 值有所 降 低5.3由 於 在本機 , 開關管 接 在 次側 , 與 大 有 定 的電