开关电源EMI设计经验

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开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
1.开关电源的EMI源
开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
（1）功率开关管
功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。
（2）高频变压器
高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。
（3）整流二极管
整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。
（4）PCB
准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上 述EMI源抑制的好坏。
2.开关电源EMI传输通道分类
（一）. 传导干扰的传输通道
（1）容性耦合
（2）感性耦合
（3）电阻耦合
a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合
b.公共地线阻抗产生的 电阻传导耦合
c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合
（二）. 辐射干扰的传输通道
（1）在开关 电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电 感线圈可以假设为磁偶极子；
（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；
（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。
3.开关电源EMI抑制的9大措施
在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：
（1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；
（2）通过接地、滤波、屏蔽 等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
分开来讲，9大措施分别是：
（1）减小dv/dt和di/dt（降 低其峰值、减缓其斜率）
（2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压
（3）阻尼网络抑制过冲
（4）采用软恢复特 性的二极管，以降低高频段EMI
（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术
（6）采用合理设计的电源线滤波器
（7）合理的接地处理
（8）有效的屏蔽措施
（9）合理的PCB设计
4.高频变压器漏感的控制
高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。
减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！
（1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。
（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。
（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。
5.高频变压器的屏蔽
为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏 蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的 泄漏。
高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变 压器采取加固措施：
（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；
（2）用“玻璃珠”（Glass beads）胶合剂粘结磁心，效果更好。

规律一、EMC费效比关系规律： EMC问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。

在新产品研发阶段就进行EMC设计，比等到产品EMC测试不合格才进行改进，费用可以大大节省，效率可以大大提高；反之，效率就会大大降低，费用就会大大增加。

经验告诉我们，在功能设计的同时进行EMC设计，到样板、样机完成则通过EMC测试，是最省时间和最有经济效益的。相反，产品研发阶段不考虑EMC，投产以后发现EMC不合格才进行改进，非但技术上带来很大难度、而且返工必然带来费用和时间的大大浪费，甚至由于涉及到结构设计、PCB设计的缺陷，无法实施改进措施，导致产品不能上市。

规律二、高频电流环路面积S越大， EMI辐射越严重。

高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时， 一般走线电抗大于电阻，连线对高频信号就是电感，串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的，最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线，减小高频电流回路面积，尽量消除任何非正常工作需要的天线，如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。

减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要任务之一，就是想方设法减小高频电流环路面积S。

规律三、环路电流频率f越高，引起的EMI辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。

减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二，就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f，即减小骚扰电磁波的频率f。

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