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众所周知,EMC是指电磁兼容测试,指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。隔离电源模块的EMC测试包含EMI(电磁干扰)测试和EMS(电磁抗扰度)测试两项,那么如何保证电源模块的EMC性能呢?这里将为大家揭晓。1 Y2 ~5 r$ u6 N/ ^! p+ Z$ K, R
! z5 O5 b3 ]$ F1、EMC简介
" {4 b+ i, I+ H* f( X2 X) ?- SEMI电磁干扰指被测设备对周围设备产生干扰的能力,主要包括传导骚扰CE、 辐射骚扰RE。电源模块的EMS电磁抗扰度指由于在正常运行时,设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰,根据国标根据国标GB/T 16821-2007 《通信用电源设备通用试验方法》中规定电源模块测试主要包括群脉冲抗扰度(EFT)、浪涌抗扰度(SURGE)、静电放电抗扰、辐射抗扰度等项目。
) \% y' I& q, s9 y! AEMC的产生必须具备的三要素,干扰源、传输介质以及敏感设备,如下图1所示。三者缺一个都构不成EMC问题,那么电源模块的设计中仅需针对其中一个方面进行整改即可实现EMC防护,例如从干扰源进行根除、改善传输介质避免干扰传递或将敏感设备远离干扰源等方法。
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/ P3 z7 |! S+ c图1 EMC三要素
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2 q I Y" Y% Y+ e) p j: l, \2、EMC干扰防护第一式——电路设计
# S( S. X$ N# {! _+ k3 x0 m高功率密度、高转换效率的电源模块一般都是开关电源,在开关管开通、关断时,电压和电流都会被斩波,造成较大瞬态变化(di/dt、dv/dt),所以电源模块不论其使用什么样的拓扑结构,只要是开关电源,其都会产生一定程度的EMC干扰如图2所示。/ ?1 T. q; i; ~' @$ |% o
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图2 开关电源常见拓扑与斩波 - i7 c$ [$ U. D9 P+ X* o. w0 Q7 V
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电源模块的EMC性能可通过优化自身拓扑结构和规范PCB设计进行提升。例如:4 Q4 f, k8 K1 H0 g7 q
l电路设计中,以先保护后滤波为原则,保护器件应放置在离产品的静电导入口最近的地方;$ ?+ ^3 {3 t9 s, s$ N
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l拓扑设计中,选择连续导通模式(CCM)的拓扑,例如Boost、全桥、推挽等拓扑;
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l在电路防护方面,开关管建议加RC吸收电路和RCD吸收电路,且靠近开关管放置,从而降低尖峰电压,在EMC传输路径上使用π型滤波和全波整流电路等滤波电路,具体可参考图3;+ _. M7 _) [' t. E
& w# L8 b5 G$ B$ D- e* VlPCB设计中,尽可能地大面积铺地,并且尽量减小对地平面的分割,减小回路面积,从而降低干扰。避免出现大面积孤立铜区,大面积孤立铜区会因电磁等原因影响模块的可靠性;减少布线的长度,从而减小动态节点处电感,避免产生较强的电磁场。
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}( F6 ~& j3 {+ W- S) J; V图3 电源模块EMC优化拓扑
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2 Q- c) W! D! F" c; z$ K( U% F3、EMC干扰防护第二式——器件选择
; t/ |& t% M+ M! Y: l电源模块的元器件选择会直接的影响模块的整体性能,接下来将为大家从电源芯片、高频变压器、场效应管以及共模电感等方面介绍,具体如下所示。
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l高频变压器:应保证直流损耗低、交流损耗低,漏感小,并且需要良好的绕组布局让绕组之间有良好的屏蔽,从而使开关电源工作时,在漏极产生的尖峰尽可能的小;
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5 |- }# U, K/ L3 P2 x- e7 E# e$ sl场效应管:关注其导通电阻和低栅极电荷两项参数,这两项即影响模块的EMC性能也影响整体的效率,所以要做好两者的平衡;8 p- n2 l" k# O3 f7 r0 w- ?# W
0 R/ B- o+ s0 H I! R( G: y: Q Jl共模电感:与其他无源器件相同,关注其电参数,例如额定电压、额定电流、电感量以及漏感等参数7 ^- B. h4 N+ O# k
. H$ N5 }, h" H: f# w% ml滤波电容:应用于输入端进行滤波;应用于输出端吸收开关频率及高次谐波电流分量,需求趋势是小型大容量化、高频低阻抗化以及高耐压;
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l压敏电阻:要求最大直流工作电压大于电源及信号线直流工作电压。; ]/ i+ V3 [/ `0 a }- c+ m- ~- w X {/ a
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; {; i* G" n( S; ]; @5 g/ U图4 电源模块部分元器件4、EMC干扰防护第三式——外围保护 1 C: j" o& G! G) L+ D9 w1 ]
电源模块作为模块类产品,对于体积的要求较高,如果仅要依靠电源模块内部的设计满足要求,则产品的体积会非常之大,成本会非常昂贵,因为吸收EMS的电子元器件的体积都很大,所以高等级的EMC干扰防护只能通过外围电路设计来满足系统的EMS要求。
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根据国标GB/T 16821-2007 《通信用电源设备通用试验方法》中规定,传导骚扰(CE)的波形大体是分为三种成份组成,分别是低频(150KHz~0.5MHz)、中频(0.5MHz~5MHz)以及高频(5MHz~30MHz)。而针对不同情况则需要不同的外围电路进行解决。, b& V7 i/ s9 a
3 c4 h6 N, {2 A: F& P低频:属于差模骚扰,使用差模滤波电路解决;
& }. k3 L' a3 o2 j3 P- Q中频:同时有差模和共模骚扰,由共模滤波电路和差模滤波电路共同解决;; V& E9 P9 E$ V9 a$ f
高频:属于共模骚扰,使用差模滤波电路解决。
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电源线中往往同时存在共模和差模干扰,因此电源EMI滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成,如图5所示。
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# Q/ H# h: N8 ]图5 电源模块EMC外围推荐电路 3 d4 ~- P/ q/ u9 _
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5、EMC干扰防护第四式——优质的电源模块6 Z( P7 }+ P# a
对于自主搭建的电源模块,不仅研发周期较长和生产成本较高,且产品的一致性与可靠性均难以保证,此时可以选用一款优质的电源模块进行产品设计。1 Q/ p2 o( q% k1 I
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