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最新消息 > 開關電源PCB的EMC優化設計方案

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圖2開關管對地電容形成的共模電流回路隔離變壓器是一種廣泛使用的電源線干擾抑制措施。其基本作用是實現電路之間的電氣隔離,解決由地線環路帶來的設備間相互干擾。對于理想的變壓器,它只能傳送差模電流而不能傳送共模電流,這是因為對于共模電流,它在理想變壓器的兩個端子之間的電位相同,因此不能在繞組上產生磁場,也就不能夠有共模電流通路了,從而起到了抑制共模噪聲的作用。而實際的隔離變壓器原邊和副邊之間有一個耦合電容CW,這個耦合電容是由于變壓器的繞組之間存在非電介質和物理間隙所產生的,它為共模電流提供了一個通路。如圖2所示,A點是電路中電壓變化最強的區域,它也是產生噪聲的最強的區域。伴隨著電路的高頻開關工作,該點的高頻電壓通過變壓器初次級之間的分布電容Cps、電源線對地線的阻抗、變壓器次級印制線自身的阻抗、電感、電容等參數,而形成變壓器的共模噪聲路徑。普通隔離變壓器對共模噪聲有一定的抑制作用,但因繞組間分布電容使它對共模干擾的抑制效果隨頻率升高而下降。普通隔離變壓器對共模干擾的抑制作用可用初次級間的分布電容和設備對地分布電容之比值來估算。通常初次級間的分布電容為幾百pF,設備對地分布電容為幾~幾十nF,因而共模干擾的衰減值在10~20倍左右,即20~30dB。為了提高隔離變壓器對共模噪聲的抑制能力,關鍵是要耦合電容小,為此,可以在變壓器初次級間增設屏蔽層。屏蔽層對變壓器的能量傳輸無不良影響,但影響繞組間的耦合電容。帶屏蔽層的隔離變壓器除了能抑制共模干擾外,利用屏蔽層還可以抑制差模干擾,具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級的中線端。對50Hz工頻信號來說,由于初級與屏蔽層構成的容抗很高,故仍能通過變壓器效應傳遞到次級,而未被衰減。對頻率較高的差模干擾,由于初級與屏蔽層之間的容抗變小,使這部分干擾經由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網,而不進入次級回路。因此,對變壓器的高頻建模非常重要,特別是變壓器的許多寄生參數,例如:漏感,原副邊之間的分布電容等,它們對共模EMI電平的高低有著顯著的影響,必須加以考慮。實際中,可以使用阻抗測量設備對變壓器的主要參數進行測量,從而獲得這些參數并進行仿真分析。半橋電路中的直流電解電容Cin有相應的串聯等效電感ESL和串聯等效電阻,這兩個參數也影響到電路的高頻性能,一般情況下ESL大約在幾十nH左右。在實際分析中,無源元件,如電阻器、電感器和電容器的高頻等效寄生參數可用高頻阻抗分析儀測得,功率器件的高頻模型可以從電路仿真軟件的模型庫中得到。另外一個對電路的高頻噪聲影響較大的因素是印制板上印制導線(帶狀線)的相互耦合,當一個高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現在靠近載有信號的導體附近,就將產生干擾問題。印制導線的耦合情況通常用電路和導線的互容和互感來表征,容性耦合引發耦合電流,感性耦合引發耦合電壓。PCB板層的參數、信號線的走線和相互之間的間距對這些參數都有影響。建立印刷電路板走線高頻模型和提取走線間寄生參數的主要困難是決定印刷板線條單位長度的電容量和單位長度的電感量。通常有三種方法可以用來決定電感、電容矩陣元件:(1)有限差分法(FDM);(2)有限元法(FEM);(3)動量法(MOM)。當單位長度矩陣被精確的決定以后,通過多導體傳輸線或部分元等效電路(PEEC)理論,就可以得到印刷電路板走線的高頻仿真模型。Cadence軟件是一種強大的EDA軟件,它的SpecctraQuest工具可以對PCB進行信號完整性和電磁兼容性分析,用它也可以對印刷電路板走線進行高頻建模,實現對給定結構的PCB進行參數提取,并且生成任意形狀印制導線走線的電感、電容、電阻等寄生參數矩陣,然后利用PEEC理論,就可以進行EMC仿真分析。3共模和差模噪聲的電路模型通常電路中的共模干擾和差模干擾是同時存在的,共模干擾存在于電源的任意一個相線與大地之間,差模干擾存在于相線與相線之間。法國Grenoble電技術實驗室的Teuling、Schnaen和Roudet基于由MOSFET構成的400W、開關頻率為100KHz的斬波電路實驗模型的研究表明,低頻時差模干擾占主導地位;高頻時,共模干擾占主導地位,這說明開關電源的差模干擾和共模干擾對電路的影響程度是不同的;另一方面,線路寄生參數對差模干擾和共模干擾的影響也不同,由于線間阻抗與線地阻抗不同,干擾經長距離傳輸后,差模分量的衰減要比共模大。因此,為了解決開關電源的傳導噪聲問題,需要首先區分共模和差模干擾,這就需要建立共模和差模噪聲路徑,然后對它們分別進行仿真和分析,這種方法便于我們找到電磁干擾問題的根源,便于問題的解決。在工程上可以用電流探頭來判斷電源是共模還是差模占主導地位,探頭先單獨環繞每根導線,得出單根導線的感應值;然后再環繞兩根導線,探測其感應情況,如果感應值是增加的,則線路中的干擾電流是共模的,反之是差模的。在理論分析中,針對不同的系統,需要分別建立它們的共模和差模噪聲電流模型,在我們上述分析的基礎上,綜合考慮功率器件的高頻模型和印制導線相互耦合關系,我們得到了半橋QRC變換器的共模和差模干擾電路模型,它示于圖3。圖中的LISN(LineImpedenceStabilizingnetwork)是EMC檢測規定的線性阻抗固定網絡。因為對于50Hz工頻信號LISN的電感表現為低阻抗,電容表現為高阻抗,所以對工頻信號LISN基本不衰減,電源可以經LISN輸送到半橋變換器中。而對于高頻噪聲,LISN的電感表現為大阻抗,電容可以視為短路,所以LISN阻止了高頻噪聲在待測設備和電網之間的傳送,因此,LISN起到了為共模和差模干擾電流在所需測量的頻段(典型值為100KHz~30MHz)提供一個固定的阻抗(50ohm)的作用。

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