资深电源工程师7方面详解EMC设计

Taio · 发表于 2018-12-12 10:09

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资深电源工程师7方面详解EMC设计

      电源调试阶段应注意的细节

      1、万用表先测试主电流回路上的二极管，MOSFET，有没有短路，有没有装反，变压器的感量与漏感是否都有测试，变压器同名端有没有绕错。
      2、开始上电，我的习惯是先上100V的低压，PWM没有输出。用示波器看VCC，PWM脚，VCC上升到启动电压，PWM没有输出。检查各引脚的保护功能是否被触发，或者参数不对。找不到问题，查看IC的上电时序图，或者IC的datasheet里面IC启动的条件。示波器使用时需注意，3芯插头的地线要拔掉，不拔掉的话最好采用隔离探头挂波形，要不怎么炸机的都不知道。用2个以上的探头时，2根探头的COM端接同1个点，避免影响电路，或者夹错位置烧东西。
      3、IC启动问题解决了，PWM有输出，发现启动时变压器啸叫。挂MOSFET的电流波形，或者看Isense脚底波形是否是三角波，有可能是饱和波形，有可能是方波。需重新核算ΔB，还有种情况，VCC绕组与主绕组绕错位置。也有输出短路的情况，还有RCD吸收部分的问题，甚至还碰到过TVS坏了短路的情况。
      4、输出有了，但是输出电压不对，或者高了，或者低了。这个需要判断是初级到问题，还是次级的问题。挂输出二极管电压电流波形，是否是正常的反激波形，波形不对，估计就是同名端反了。检查光耦是否损坏，光耦正常，采用稳压管＋1K电阻替换431的位置，即可判断输出反馈431部分，或者恒流，或者过载保护等保护的动作。常见问题，光耦脚位画错，导致反馈到不了前级。431封装弄错，一般431的封装有2种，脚位有镜像了的。同名端的问题会导致输出电压不对。
      5、输出电压正常了，但是不是精确的12V或者24V，这个时候一般采用2个电阻并联的方式来调节到精确电压。采样电阻必须是1％或者0．5％。
      6、输出能带载了，带满载变压器有响声，输出电压纹波大。挂PWM波形，是否有大小波或者开几十个周期，停几十个周期，这样的情况调节环路。431上的C与RC，现在的很多IC内部都已经集成了补偿，环路都比较好调整。环路调节没有效果，可以计算下电感感量太大或者太小，也可以重新核算Isense电阻，是否IC已经认为Isense电阻电压较小，IC工作在brust mode。可以更改Isense电阻阻值测试。
      7、高低压都能带满载了，波形也正常了。测试电源效率，输入90V与264V时效率尽量做到一致（改占空比，匝比），方便后续安规测试温升。电源效率一般参考老机种效率，或者查能效等级里面的标准参考。
      8、输出纹波测试，一般都有要求用47uF＋104，或者10uF＋104电容测试。这个电解电容的容值影响纹波电压，电容的高频低阻特性（不同品牌和系列）也会影响纹波电压。示波器测试纹波时探头上用弹簧测试探头测试可以避免干扰尖峰。输出纹波搞不定的情况下，可以改容量，改电容的系列，甚至考虑采用固态电容。
      9、输出过流保护，客户要求精度高的，要在次级放电流保护电路，要求精度不高的，一般初级做过流保护，大部分IC都有集成过流或者过功率保护。过流保护一般放大1．1－1．5倍输出电流。最大输出电流时，元器件的应力都需要测试，并留有余量。电流保护如增加反馈环路可以做成恒流模式，无反馈环路一般为打嗝保护模式。做好过流保护还需要测试满载＋电解电容的测试，客户端有时提出的要求并未给出是否是容性负载，能带多大的电容起机测试了后心里比较有底。
      10、输出过压保护，稳定性要求高的客户会要求放2个光耦，1个正常工作的，一个是做过压保护的。无要求的，在VCC的辅助绕组处增加过压保护电路，或者IC里面已经有集成的过压保护，外围器件很少。
      11、过温保护一般要看具体情况添加的，安规做高温测试时对温度都有要求，能满足安规要求温度都还可以，除非环境复杂或者异常情况，需要增加过温保护电路。
      12、启动时间，一般要求为2S，或者3S内起机，都比较好做，待机功耗做到很低功率的方案，一般IC都考虑好了。没有什么问题。
      13、上升时间和过冲，这个通过调节软启动和环路响应实现。
      14、负载调整率和线性调整率都是通过调节环路响应来实现。
      15、保持时间，更改输入大电容容量即可。
      16、输出短路保护，现在IC的短路保护越做越好，一般短路时，IC的VCC辅助绕组电压低，IC靠启动电阻供电，IC启动后，Isense脚检测过流会做短路保护，停止PWM输出。一般在264V输入时短路功率最大，短路功率控制住2W以内比较安全。短路时需要测试MOSFET的电流与电压，并通过查看MOSFET的SOA图（安全工作区）对应短路是否超出设计范围。
      17、空载起机后，输出电压跳。有可能是轻载时VCC的辅助绕组感应电压低导致，增加VCC绕组匝数，还有可能是输出反馈环路不稳定，需要更新环路参数。
      18、带载起机或者空载切重载时电压起不来。重载时，VCC辅助绕组电压高，需查看是否过压，或者是过流保护动作。
      还有变压器设计时按照正常输出带载设计，导致重载或者过流保护前变压器饱和。
      19、元器件的应力都应测试，满载、过载、异常测试时元器件应力都应有余量，余量大小看公司规定和成本考虑。性能测试与调试基本完成。调试时把自己想成是设计这颗IC的人，就能好好理解IC的工作情况并快速解决问题。
      4、EMC等测试之前的注意细节

      1、温升测试，45℃烤箱环境，输入90，264时变压器磁芯，线包不超过110℃，PCB在130℃以内。其他的元器件具体值参考下安规要求，温度最难整的一般都是变压器。
      2、绝缘耐压测试DC500V，阻值大于100MΩ，初次级打AC3000V时间60S，小于10mA，产线量产可以打AC3600V，6S。建议采用直流电压DC4242打耐压。耐压电流设置10mA，测试过程中测试仪器报警，要检查初次级距离，初级到外壳，次级到外壳距离，能把测试室拉上窗帘更好，能快速找到放电的位置的电火花。
      3、对地阻抗，一般要小于0．1Ω，测试条件电流40A。
      4、ESD一般要求接触4K，空气8K，有个电阻电容模型问题。一般会把等级提高了打，打到最高的接触8K，空气15K。打ESD时，共模电感底下有放电针的话，放电针会放电。电源的ESD还会在散热器与不同元器件之间打火，一般是距离问题和PCB的layout问题。打ESD打到15K把电源打坏就知道自己做的电源能抗多大的电压，做安规认证时，心里有底。如果客户有要求更高的电压也知道怎么处理。参考EN61000－4－2。
      5、EFT这个没有出现过问题2KV。参考EN61000－4－4。
      6、雷击，差模1K，共模2K，采用压敏14D471，有输入大电解，走线没有大问题基本PASS。碰到过雷击不过的情况，小功率5W，10W的打挂了，采用能抗雷击的电解电容。单极PFC做反激打挂了MOSFET，在输入桥堆后加入二极管与电解电容串联，电容吸收能量。LED电源打2K与4K的情况，4KV就要采用压敏电阻＋GDT的形式。参考EN61000－4－5。
      EFT，ESD，SURGE有A，B，C等级。一般要A等级：干扰对电源无影响。
      7、低温起机。一般便宜的电源，温度范围是0－45℃，贵的，工业类，或者LED什么的有要求－40℃－60℃，甚至到85℃。－40℃的时候输入NTC增大了N倍，输入电解电容明显不够用了，ESR很大，还有PFC如果用500V的MOSFET也是有点危险的（低温时MOSFET的耐压值变低）。之前碰到过90V输入的时候输出电压跳，或者是LED闪几次才正常起来。增加输入电容容量，改小NTC，增加VCC电容，软启动时间加长，初级限流（输入容量不够，导致电压很低，电流很大，触发保护）从1．2倍放大到1．5倍，IC的VCC绕组增加2T辅助电压抬高；查找保护线路是否太极限，低温被触发（如PFC过压易被触发）。

      5、传导整改注意细节

      基本性能和安规基本问题解决掉，剩下个传导和辐射问题。这个时候可以跟客户谈后续价格，自己优化下线路。跟安规工程师确认安规问题，跟产线的工程师确认后续PCB上元器件是否需要做位置的更改，产线是否方便操作等问题。或者有打AI，过回流焊波峰焊的问题，及时对元器件调整。
      1、传导和辐射测试大家看得比较多，论坛里面也讲的多，实际上这个是个砸钱的事情。砸钱砸多了，自然就会了，整改也就快了。能改的地方就那么几个。1、这个里面看不见的，特别重要的就算是PCB了，有厉害的可以找到PCB上的线，割断，换个走线方式就可以搞掉3个dB，余量就有了。
      2、一般看到笔记本电源适配器，接电脑的部分就有个很丑的砣，这个就是个EMI滤波器，从适配器出线的部分到笔记本电脑这么长的距离，可以看成是1条天线，增加一个滤波器，就可以滤除损耗。所以一般开关电源的输出端有一个滤波电感，效果也是一样的。

      6、辐射整改注意细节

      1、PCB的走线按照布线规则来做即可。当PCB有空间的时候可以放2个Y电容的位置：初级大电容的＋到次级地；初级大电容－到次级地，整改辐射的时候可以调整。
      2、对于2芯输入的，Y电容除了上述接法还可以在L，N输入端，保险丝之后接成Y型，再接次级的地，3芯输入时，Y电容可以从输入输出地接到输入大地来测试。
      3、磁珠在辐射中间很重要，以前用过的材料是K5A，K5C，磁珠的阻抗曲线与磁芯大小和尺寸有关。如图所示，不同的磁珠对不同的频率阻抗曲线不同。但是都是把高频杂波损耗掉，成了热量（30MHz－500MHz）。一般MOSFET，输出二极管，RCD吸收的D，桥堆，Y电容都可以套磁珠来做测试。
      4、输入共模电感：如果是2级滤波，第一级的滤波电感可以考虑用0．5－5mH左右的感量，蝶形绕法，5K－10K材质绕制，第一级对辐射压制效果好。如果是3芯输入，可以在输入端进线处用三层绝缘线在K5A等同材质绕3－10圈，效果巨好。
      5、输出共模电感，一般采用高导磁芯5K－10K的材料，特殊情况辐射搞不定也可以改为K5A等同材质。
      6、MOSFET，漏极上串入磁珠，输入电阻加大，DS直接并联22－220pF高压瓷片电容可以改善辐射能量，也可以换不同电流值的MOS，或者不同品牌的MOSFET测试。
      7、输出二极管，二极管上套磁珠可以改善辐射能量。二极管上的RC吸收也对辐射有影响。也可以换不同电流值来测试，或者更换品牌
      8、RCD吸收，C更改容量，R改阻值，D可以用FR107，FR207改为慢管，但是需要注意慢管的温度。RCD里面的C可以串小阻值电阻。
      9、VCC的绕组上也有二极管，这个二极管也对辐射影响大，一般采取套磁珠，或者将二极管改为1N4007或者其他的慢管。
      10、最关键的变压器。能少加屏蔽就少加屏蔽，没办法的情况也只能改变压器了。变压器里面的铜箔屏蔽对辐射影响大，线屏蔽是最有效果的。一般改不动的时候才去改变压器。
      11、辐射整改时的效率。套满磁珠的电源先做测试，PASS的情况，再逐个剪掉磁珠。
      fail的情况，在输入输出端来套磁环，判断辐射信号是从输入还是输出发射出来的。
      套了磁环还是fail的话，证明辐射能量是从板子上出来的。这个时候要找实验室的兄弟搞个探头来测试，看看是哪个元器件辐射的能量最大，哪个原件在超出限值的频率点能量最高，再对对应的元件整改。
      辐射的现象可以看成是功率器件在高速开关情况下，寄生参数引起的振荡在不同的天线上发射出去，被天线接收放大了显示出来，避免振荡信号出去就要避免高频振荡，改变振荡频率或者把高频振荡吸收掉，损耗掉，以至于显示出来值的时候不超标。
      磁珠的运用有个需要注意的地方，套住MOSFET的时候，MOSFET最好是要打K脚，套入磁珠后点胶固定，如果磁珠松动，可能导电引起MOSFET短路。有空间的情况下尽量采用带线磁珠。

      7、PCB定型改版试生产注意细节

      传导辐射整改完成后，PCB可以定型了，最好按照生产的工艺要求来做改善，更新一版PCB，避免生产时碰到问题。
      1、验证电源的时刻到了，客户要求，规格书。电源样品拿给测试验证组做测试验证了。之前问题都解决了的话，验证组是没问题的，到时间拿报告就可以了。
      2、准备小批量试产，走流程，准备物料，整理BOM与提供样机给生产部同事。
      3、准备做认证的材料（保险丝，MOSFET等元器件）与样机以及做认证的关键元器件清单等文档性材料。关键元器件清单里面的元件一般写3个以上的供应商。认证号一定要对准，错了的话，后续审厂会有不必要的麻烦。剩下的都是一些基本的沟通问题了。
      做认证时碰到过做认证的时候温升超标了的，只能加导热胶导出去。或者提高效率，把传导与辐射的余量放小。这种问题一般是自己做测试时余量留得太少，很难碰到的。
      4、一般认证2个月左右能拿到的。2个月的时间足够把试产做好了。
      5、试产问题：基本上都是要改大焊盘，插件的孔大小更改，丝印位置的更改等。
      6、试产的测试按IPS和产线测试的规章制度完成。
      碰到过裸板耐压打不过的，原因竟然是把裸板放在绿色的静电皮上操作；也有是麦拉片折痕处贴的胶带磨损了。
      7、输入有大电容的电源，需要要求测试的工序里面增加一条，测试完毕给大电容放电的一个操作流程。
      8、试产完成后开个试产总结会，试产PASS，PCB可以开模了。量产基本上是不会找到研发工程师了，顶多就是替代料的事宜。
      9、做完一个产品，给自己写点总结什么的，其中的经验教训，或者是有点失败的地方，或者是不同IC的特点。项目做多了，自然就会了。
      整个开发过程中都是一个团队的协作，所以很厉害的工程师，沟通能力也是很强的，研发一个产品要跟很多部门打交道，技术类的书要看，技术问题也要探讨，同时沟通与礼仪方面的知识也要学习，有这些前提条件，开发起来也就容易多了。

      8、20年经验资深工程师的感慨

      我顺便提一下，上面原理图中18的此饱和是500MT，即5000高斯，0，5特斯拉，普通铁氧体到不了5000吧，顶多4000，好像才3500吧，所以一般的磁通密度选择1500高斯，变压器小的可以选大一些，变压器大的要选小一些，频彔高的减小频彔低的可以大一些吧。
      从我干开关电源近二十年，算是老手了，我非常深有体会的是，开关电源最难的是环路参数，非常不好确定，普遍不大稳定就是环路没有调好，这个是一个大问题了，太多搞不定的就是这个问题了，还有变压器参数的选择也是一个难点，有人说变压器的分量非常大，确定多少匝比，规格，如果铁损线损一样最好，绞在一起了，无法确定哪个多哪个少了，还有，如何确定磁通密度多少为最合适，也是非常难了，这个多年的经验非常重要，许多人变压器不懂设计，还有，风铃可以磁通大一些，自冷要小一些，都不是一件容易的事情。
      现在是很多人知识匮乏，没有无线电技术的知识，那一些新手根本不懂，把PCB布成整齐的非常随意的任意走线了，很像精细，那根本胡闹，不能用的版了，新一代的知识多元化，诱惑太大了，什么人都可以上大学了，比如一些职高的普高没毕业的人也上大学了，应试教育也是大问题，人才质量不行了，什么也不懂的人多了，他们照样搞开发，能做成什么好产品，最重要的是知识和学问，却又是最不在乎是又是学问，浮躁社会浮躁的人，满脑子就是短平快，要知道欲速则不达，只会抄袭模仿拿来主义山寨之风，模仿制造低劣产品，因为所谓的开发人员就是搬运工，而且所谓人才流动，半拉子一下就飞了，成了政治资本，干过了什么项目，还有不少其实是调试工，技术人员，冒充什么开发人员，老板急于求成，用的其实是伪人才，伪人才只能制造伪劣产品了，就是只会克隆产品复制了，还做不好，大功率的其实不少老外的产品哪个做成了，小功率的相对容易简单一些不少还是做成了，但做不好的多多了，
      我谈这个是非常普遍存在的社会现实，比如一位做12伏100安，抄袭模仿八九个月没有做成，最终失败打水漂了，其实可以做成的，我见过那个产品，同开发人员一交流，发现学问不行，我对那位陈老板说凶多吉少九成以上要失败的，他不信，就是我完全模仿一个地方也不能漏下，难道做不成，结果呢，真的做不成了，相当多人都以为一抄就成一步到位，总是这么说，结果岂不，哪个成功了，一败涂地了。其实，那个12伏100安真的不难，就是要有一些学问，失败的原因就在这里了。
      原谅我谈了别的方面的了，不过，确实千真万确，非常普遍而且常态化的我们这个社会的现实了，普遍的从业人员就是知识匮乏，技术和能力不行，就是生搬硬套，克隆主义至上，，好像我们这个社会就是假大空的社会，多数的产品都是这么去干的。成了不少其实有不少老外非常不错的产品，我都见过不少了，怎么都没有见到我们做的实际产品了，其实大帮小帮都在抄袭，怎么见不到东西呀，因为都失败了打水漂了，我在这里说了大实话的，非常真实的不要误解了。如果有何不妥，多多见谅吧。
      有一个非常真实的事例，比如01年我国一公司就做成了LLC多谐振的产品，由于效率高一时非常轰动，模仿者也登门而至，我是在03年初开始非常费劲，与同事大半年了，说来奇怪，原机占空比大仿做的就小了，当时的土办法就是把环流加大，但效率降低了，另一家深圳的某一家公司一直做不成，耗了不少财力，老板火了起来把那位总工炒掉了。我03年底离开了，改用SG3525，主结构有了，按照规律，3525的死区时间还可以调整呢，占空比大了，就这样做成功了，我是不会生搬硬套，比较灵活的，人家做不成做不好我就可以做到了，这种情况很多，所以不要完全克隆死板做，必须要会搞电路设计，如果是这样，好多产品是可以做成的，可以模仿参考，结合自主设计，我的这一事例不也充分说明了吗，学问和灵活最重要了，就是这么一回事。真正模仿成功还做的不错的技术功夫也非常不错了，许多人不懂这个道理，就是难道不成，不相信，真的如此，失败多多了，即使一些做成了，也是不三不四的，产品性能和质量是一个大问题，还是一句话，伪人才制造伪劣产品，现实上伪人才多得去了，产品冒牌货多同样的人才冒牌货一样多了，其实，大家相信的倒是谎言的多，一抄就成一步到位就是成了最大的谎言了。满口子多么省事节省成本，甚至更有甚者，全打包连图纸都没有，坏了就是修电器一样，把坏的找出来换掉就可以了，这个就是投机主义干事了，肯定这样做的问题特别大，他们就是把财力花在营销广告战了。

relchhiclty · 发表于 2018-12-12 10:37

受教了

kinidrily · 发表于 2018-12-12 15:42

学习学习

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