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DC-DC开关电源EMI剖析与优化规划

现代电力电子系统通常在开关模式下工作,产生了较大的电磁干扰(EMI),EMI问题一直是电力电子工程师头疼的问题,解决EMI问题是一项既困难又耗时的工作,本文将介绍EMI是如何产生、传播以及如何优化

  现代电力电子体系一般在开关方式下作业,发生了较大的电磁搅扰(EMI),EMI问题一直是电力电子工程师头疼的问题,处理EMI问题是一项既困难又耗时的作业,本文将介绍EMI是怎么发生、传达以及怎么优化处理。

  常见缩略语:

  EMC(Electromagnetic Compatibility):电磁兼容性

  EMI(Electromagnetic Interference):电磁搅扰

  EMS(Electromagnetic Susceptibility):电磁抗扰度

  IEC(International Electrotechnical Commission):世界电工委员会

  FCC(Federal Communication Commission):美国联邦通讯委员会

  CISPR:世界无线电搅扰特别委员会

  CE:字母“CE”是法文语句的缩写,意指欧盟

  CCC(China Compulsory Certificate):我国强制性产品认证准则,又称3C认证。

  电磁兼容性(EMC)是指设备或体系在电磁环境中契合要求运转并不对其环境中的任何设备发生无法忍受的电磁搅扰才能,电磁兼容(EMC)包括电磁搅扰(EMI)和电磁抗扰度(EMS)。其包括的测验项目如图1所示。

  

  图1 EMC测验项

  电磁搅扰约束可分为两个根本使用领域:

  A类:适用于商业或工业设备环境,相应约束较为轻松。

  B类:适用于家用或住所设备,相应约束较为严厉。

  B类约束约比A类约束低10dB,即发射振幅之比约为1:3(20×log(3)≈10dB)。商场出售的产品还需要满意一些重要的安规规范。在许多国家,电磁兼容规范和安规规范统一用一个区域认证标志来表明,如CE标志即欧洲认证标志,CCC标志即我国强制认证标志。该标志表明产品契合电磁兼容规范和安规规范。

  历史上遍及承受的世界电磁搅扰规范是CISPR-22,美国的电磁搅扰规范是FCC,CISPR-22与FCC有所不同,但一般来说假如电源契合CISPR-22规范,那么它也契合FCC规范。总归CISPR-22规范已经成为全世界都恪守的根本规范。汽车上的电磁搅扰规范是CISPR-25,相对CISPR22来说CISPR-25规范约束值更低而且额定对FM频段做了很严的约束要求。详细传导测验约束要求如图2所示。

  

  图2 传导测验规范

  如图3所示电磁搅扰的辐射测验遍及选用天线接纳法测验,比较于CISPR22来说CISPR25额定添加了150KHz ~
30MHz的辐射测验,这部分测验频段覆盖了DCDC的作业频率规模,是辐射测验的难点。别的CISPR-25辐射测验选用1M法天线间隔更近,测验接纳的信号更强。

  

  图3 辐射测验规范

  关于设备来说DCDC开关电源是最常见的噪声源,而一般又不易受搅扰,所以DCDC的EMC问题首要便是EMI问题。以Buck电源为例,DCDC芯片开关过程中发生电压和电流的改变,包括了较快的di/dt和dv/dt噪声重量,其开关噪声不只包括开关次和倍频频率段的噪声,别的其开关速度越低,高频噪声重量衰减越大。噪声分为差模噪声和共模噪声,差模噪声是LN线之间的电位差,共模噪声是待测零部件的LN线和参阅地之间的电位差。DCDC电源EMI首要来源于电流和电压跳变,经过共模和差模的方式耦合到接纳器上。

  如图4所示是Buck开关电源的噪声发生和耦合途径,从传导途径来说开关节点发生的差模搅扰经过输入电容滤波后会直接传到输入端,共模搅扰经过开关节点对地的耦合再经过LISN端检测到。从辐射的途径来看首要是差模的功率电流回路发生的,当然共模搅扰也会发生部分辐射搅扰。因而在规划电路时减小功率开关电流回路对传导辐射搅扰有很大的协助。

  

  图4 DCDC噪声源及耦合途径

  已然有了上面临EMI发生的原因剖析,咱们就能够依照如下几点对EMI进行优化:

  输入端添加EMI滤波器

  EMI滤波器能够按捺流经LISN的差模和共模电流,这在传导测验中特别要害,依据对噪声的巨细的衰减份额能够计算出EMI滤波器的参数巨细。常见的EMI滤波器参数如图5所示。

  

  图5 常见EMI滤波器规划参数

  输入输出电容方位要接近芯片放置

  在功率开关回路中di/dt环路会发生磁场,而且磁场强度与电流和环路面积成正比联系。减小环路面积能大幅度减小对外辐射。如图6所示经过将输入电容C2接近芯片能够显着减小磁场辐射程度。

  

  图6 输入电容方位对EMI的影响

  LC滤波器要与远离DCDC高频电流环路

  一切的LC滤波器都是以电感完毕,而且要远离DCDC的高频环路。避免电流环路的近场磁场效应对输入滤波器的影响。

  对称规划芯片和对称电容规划

  如图7所示,对称电容规划能显着抵消磁场,假如电容集成到芯片内部的话对传导和辐射的高频搅扰都能起到极大的按捺作用,MPS的MPQ4491M便是一款高度集成的车载充电芯片计划,内部集成了电容,具有杰出的EMI功能。

  

  图7 对称电容规划

  改用一体成型电感

  环形电感的漏磁较大,体积也比较大,对大地也有比较大的耦合电容,因而其对外的辐射更大,如图8所示将环形电感替换为贴片电感后全体的EMI就会下降许多。

  

  图8 环形电感对EMI的影响

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