物联网&智能设备-EMI传导输入滤波器的设计理论(武汉)

物联网智能电子产物&装备开关电源系统的输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的EMS设计也是异常要害的!

我再弥补详解一下;今天讲的物联网智能电子产物&装备的开关电源系统的EMS的图片:

瞬态滋扰(EMS)对智能装备会发生威胁,泛起产物功能及性能的问题!

差模滋扰(EMS)其尖峰噪声电压对装备会直接发生威胁,泛起产物功能及性能的问题!

共模滋扰(EMS)其尖峰噪声电压对装备不会直接发生威胁;共模滋扰不直接影响装备,而是通过转化为差模电压来影响装备的!由于系统要接纳交流AC供电同时要求有下的体积和效率,开关电源的应用必不可少!

注重:电子产物&装备就开关电源系统来说!若是撇开开关电源的输入滤波器

1.开关电源线路自己对脉冲群滋扰的抑制作用实在是很低的,究其原因,主要在于脉冲群滋扰的本质是高频共模滋扰。

2.开关电源线路中的滤波电容都是针对抑制低频差模滋扰而设置的,其中的电解电容对于开关电源自己的纹波抑制作用尚且不足,更不要说针对谐波身分到达60MHz以上的脉冲群滋扰有抑制作用了,

3.在用示波器考察开关电源输入端和输出端的脉冲群波形时,看不出有显著的滋扰衰减作用。

这样看来,就抑制开关电源所受到的脉冲群滋扰来说,物联网及智能产物&装备的开关电源系统的输入滤波器是一个重要措施。

EMS的问题注重要重点注重PCB设计的问题!

1.开关电源系统线路中的高频变压器设计的利害,对于脉冲群滋扰有一定的抑制作用;

2.开关电源系统低级回路与次级电路之间的跨接电容,能为从低级回路进入次级回路的共模滋扰返回低级回路提供通路,因此对于脉冲群滋扰也有一定的抑制作用;

3.开关电源系统输出端共模滤波电路的设置,能对脉冲群滋扰有一定抑制作用。

4.开关电源系统线路自己对脉冲群滋扰没有什么抑制作用,然则若是开关电源的线路结构不佳,则更能加剧脉冲群滋扰对开关电源的入侵。

稀奇是脉冲群滋扰的本质是传导与辐射滋扰的复合,纵然由于输入滤波器的接纳,抑制了其中的传导滋扰的身分,但存在在传输线路周围的辐射滋扰依然存在,依然可以透过开关电源的不良结构

(开关电源的低级或次级回路结构距离太长,就会形成了大环天线),

感应脉冲群滋扰中的辐射身分,进而影响整个装备的抗滋扰性能。

对于整个物联网电子产物及装备由于有高频的数据通讯系统其PCB的设计多接纳双面板及多层板的设计我将PCB的设计再提供参考:

A.PCB-地走线(地平面的完整性)

B.PCB-地回路(回路面积最小化)

C.接地址的位置(滋扰源入口要就近接地)

为什么要设计EMI低通滤波器来增添插入高频消耗?(AC输入开关电源设计系统)

要害点1:

共模滋扰的发生:是开关电源(开关MOS,输出功率较大时MOS会增添散热器设计)与大地(测试系统的参考接地板)之间存在漫衍电容;开关MOS及输出整流二极管在电路中方波电压的高频分量通过漫衍电容传入到大地(参考接地板);这样就形成与电源线的回路。或者说;高频分量通过漫衍电容与电源线组成回路发生共模骚扰!

要害点2:

差模滋扰的发生:主要是开关电源中开关管事情在开关状态;当开关管开通时流过电源线的电流线性上升;开关管关断时电流又突变为O;因此流过电源线的电流为高频的重复三角波脉动电流;其含有厚实的高频谐波分量;随着频率的升高该谐波分量的幅度会越来越小;因此差模骚扰是随频率的升高而降低的!

注重:随着频率的升高我们开关器件对地之间漫衍电容变得很要害!此时共模的滋扰就变得越来越高,小的共模电流就会发生大的滋扰!

这部门我可以通过EMI测试系统的CM/DM星散器就可以获得数据。

下图直观的显示共模和差模骚扰的回路路径;

如上图:开关电源系统发生的噪声包罗共模噪声和差模噪声。共模滋扰是由于载流导体与大地之间的电位差发生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模滋扰则是由于载流导体之间的电位差发生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。注重:通常线路上滋扰电压的这两种分量是同时存在的。

如下电子产物&装备的内部电路板的结构图可以想象若是没有特定的EMI低通滤波器件我们是无法通过测试尺度的!

杂散参数影响耦合通道的特征

举行上图的剖析:在EMI传导骚扰频段<30MHz,多数开关电源系统骚扰的耦合通道我一样平常用电路网络路径图来剖析的。然则,在开关电源中的任何一个现实元器件,如电阻器、电容器、电感器甚至开关管、二极管都包罗有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高;因此,包罗各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将庞大得多。

注重:在高频时,杂散参数对耦合通道的特征影响很大,漫衍电容的存在成为电磁骚扰的通道。另有,在开关管功率较大时,开关管一样平常都需加上散热片,散热片与开关管之间的漫衍电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

针对对上面的问题:我们的第一想法是要插入滤波器设计;以是对开关电源系统传导的高效设计现实是我们插入滤波器的设计!

注重设计要害思绪:在输入端加滤波器,滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害,实现的衰减越理想,获得的插入消耗特征就越好。也就是说,若是噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);若是噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡性,两种分量在传输中会相互转变,情形也变得庞大。

对于<75W电子产物&装备的开关电源系统EMI滤波器的测试推荐如下结构:

输入滤波器的电路设计原理图

测试输入滤波电路能到达10dB设计裕量(接纳模拟负载测试)

我们通用的工业及住宅类产物的EMI尺度如下:

传导骚扰的测试频率局限为0.15~30MHz,限值要求如下表:

在0.15~1MHz的频率局限内,骚扰主要以差模的形式存在,

在1~10MHz的频率局限内,骚扰的形式是差模和共模共存,

在10MHz以上,骚扰的形式主要以共模为主。

举行机理剖析:

差模骚扰的发生主要是由于开关管事情在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流会逐渐上升,开关管关断时电流突变为零,因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有厚实的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低,共模则相反随着频率的升高器件体之间的漫衍电容变得越来越要害;小的共模电流都能发生大的电磁滋扰。

滤波器的设计:通过上面的剖析,领会产物的滋扰特征和输入阻抗特征后,设计或者选择一个滤波器就变得简朴了。若是使用一个现成的滤波器,可以挪用已往积累的滤波器数据库,比对滤波器参数,找到一个合适的滤波器。若是没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器,可以借助专用的滤波器设计软件。

我设计的公式盘算软件的机理:

1. 一样平常开关电源的噪声身分约为1~10MHZ间以是EMI滤波器要在1-10MHZ的插入消耗要只管好。

2. 滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好:注重小于开关频率;

3. 理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而现实的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

举例说明:我将一只20mH的电感举行频率电感& 频率阻抗 剖析;

频率电感曲线FREQUENCY—INDUCTANCE CURVE:

频率---阻抗曲线FREQUENCY—IMPEDANCE CURVE:

注重:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,云云将造成低频阻抗增添(直流阻抗变大)。匝数增添使漫衍电容也随之增大,使高频电流所有经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,凭据我多年的设计履历对于铁氧体质料ui=10K是对照理想的。

将输入滤波器举行等效如下:

举行EMI的共模和差模等效如下:

盘算谐振频率(滤波器的截止频率):

对于<75W物联网及智能装备开关电源系统EMI输入滤波器盘算结果如下:

通过测试的滤波器的EMI数据与理论的EXCEL的原理盘算参数数据是吻合的。因此就可以类推种种差别应用条件下的EMI滤波器的设计!

我们确定fcn的一样平常方式

电子产物&装备开关电源系统输入滤波器的截止频率fcn要凭据电磁兼容性设计要求确定。对于骚扰源,要求将骚扰电平降低到划定的局限;对于吸收器,其吸收值体现在对噪声限值的要求上。对于一阶低通滤波器截止频率可推荐按下式确定:

骚扰源:fcn=kT×(系统中最低骚扰频率);

信号吸收机:fcn=kR×(电磁环境中最低骚扰频率);

式中,kTkR凭据电磁兼容性要求确定,一样平常情形下取1/31/5

举例说明如下:

A.电源噪声扼流圈或电源输出滤波器截止频率取fcn=30~50kHz,同时要求低于我们的开关电源的最大事情频率(当CLASS-A/B要求f=150KHz为测试起点时);

B.信号噪声滤波器截止频率取fcn=10MHZ~30MHz(对传输速率>100Mbps的信息手艺装备)。

此外,对于输入电流有特殊波形的产物及装备,例如接有直接整流-电容滤波的电源EMI输入电路:没有功率因数校正(PFC)的开关电源和电子镇流器之类电器装备及产物,若是要滤除2~27/40次(9KHZ)电流谐波传导滋扰,噪声扼流圈截止频率fcn可能取得更低一些。

其它尺度要求的说明如下:

美国联邦通讯委员会(FCC)划定电磁滋扰起始频率为300kHz;

国际无线电滋扰稀奇委员会(CISPR)划定为150kHz;

美国军标划定为10kHz。

设计要点:插入滤波器设计;

上图中若是不插入输入滤波器,我们很难通过EMI的传导限值要求!

在现实运用中若是没有插入输入EMI的低通滤波器;我们接纳差模和共模星散器举行无滤波器系统的理论研究如下:我们的测试的差模和共模的限值情形如下:

星散的差模测试模拟曲线

星散的共模测试模拟曲线

而现实我们需要到达的测试效果如下:要求知足测试的CLASSA/B的限值要求:

通常现实测试要比限值低5-10dB的设计!现实值为蓝色实线的效果,虚线为我们的限值要求;

我们确定fcn的准确理论方式

凭据曲线要求举行切线分割法来确定滤波器的截止频率值

对于一级低通滤波器截止频率可按下式确定:

骚扰源:fcn=kT×(系统中最低骚扰频率); CLASSA/B=150KHZ-30MHZ(尺度)

吸收机:fcn=kR×(电磁环境中最低骚扰频率); CLASSA/B=150KHZ-30MHZ

式中,kTkR凭据电磁兼容性要求确定,一样平常情形下取1/31/5;而且小于开关电源的设计事情频率!

对于<75W 的FLY反激的开关电源系统设计;我在举行差模和共模无滤波器星散测试时得出的曲线举行ClassB的限值要求得出的衰减曲线举行切线剖析时;fcn的切点正好差不多在150KHZ的1/3处;因此得出<75W 的FLY反激的开关电源设计 其截止频率在50KHZ 四周;因此我的设计建议对于<75W的FLY开关电源的差模&共模的截止频率推荐在10KHZ-50KHZ设计!

若是系统是Ⅱ类用具/结构- 无接地措施!

滤波器若何设计?参数若何选择?

谜底是:设计方式相同;现实上就是上面的盘算公式中的Y电容要被漫衍参数替换了。漫衍电容往往只有几PF到几十PF; 我直接推荐测试好的如下滤波器结构给人人参考;

理论上电感量越高(但该电感的漫衍电容也越大)对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而现实的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差

(一样平常开关电源的噪声身分约为1~10MHZ间,但也有跨越10MHZ之情形)。

注重:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,云云将造成低频阻抗增添(DCR变大)。匝数增添使漫衍电容也随之增大,使高频电流所有经此电容流通。过高的ui使铁芯极易饱和,凭据我多年的设计履历对于铁氧体质料ui=10K是对照理想的。

凭据我做多年白电产物的设计履历以下的共模电感直接拿来使用,基本上能通过所有的电子产物EMI-传导滋扰的应用。

共模滤波器-性能最佳(<30W)接纳分区/槽绕(Sectional Winding)

FT20.6参数规格

接纳分区/槽绕 共模电感的漏感还可以做为差模电感使用如下图:

其频率阻抗曲线如下图;

若是功率跨越30W推荐卧式结构的ET28

设计要点:

共模电感和Y电容的使用要沿着滋扰信号的流向组成一个LC低通滤波器的拓扑。同理,差模电感和X电容也云云。如下图示:

滤波器的准确事情偏向

对于泄电电流要求不高的相关好比<5mA泄电流的产物应用<75W的开关电源系统;若是另有需要更大的传导设计裕量,我推荐接纳2级共模滤波器的设计;整个传导滋扰的设计<40dB,推荐的尺度的电路结构如下;

应用时注重:差别产物的应用泄电流要求是差别的;在泄电流的高要求场所Y电容的巨细需要举行调整;调整Y电容后凭据前面的LC谐振频率再来设计共模电感!设计应用永远是天真的;详细设计细节可咨询本作者!

我再通过EMI的传导测试曲线来指导人人来举行滤波器的设计优化!

参考如下:

开关电源EMI各个频段对应的产物信息剖析:

A.产物为早期的开关电源系统方案

B.开关电源有输入EMI滤波器的设计,图示其测试频率的ΔF为其开关事情频率

C.产物的EMI测试曲线其准峰值有超标频段;开关电源的输入EMI滤波器的参数需要调整!

我的实践与理论数据:

1. F1频段与靠近150KHZ调整X电容越有效果  

2. F2频段局限优化滤波器的共模电感搞定!

3. F3频段局限 滤波器Y电容,初次级的Y电容的设计是要害

开关电源EMI各个频段对应的频段测试数据剖析:

A.F1频段与越靠近150KHZ的频段调整X电容效果越显著,过大的X电容会导致F3频段上升!

B.F2频段EMI输入滤波器的共模电感的设计按推荐参数轻松搞定并会有足够的裕量!

C.F3频段调整Y电容效果显著;注重调整不适合的Y(略大)电容值会导致F1频段上升!

D.若是EMI输入滤波器接纳2级共模电感结构,后级共模电感感量过大会导致F3频段上升

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杜佐兵

电磁兼容(EMC)线上&线下高级讲师

杜佐兵先生在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光手艺专家。现在专注于电子产物的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

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