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高频开关电源EMC检测不过关与PCB设计工程师的责任大吗?

导读
说起高频开关电源的难点问题,PCB布板问题不算很大难点,但若是要布出一个精良PCB板必定是高频开关电源的难点之一(PCB规划欠好,可能会导致不管怎样调试参数都调试布出来的状况,这么说并非骇人听闻)原因是PCB布板时考虑的要素仍是许多的,如:电气功能,工艺道路,安规要求,EMC影响等等;考虑的要素之中电气是最根本的,可是EMC又是最难摸透的,许多项意图发展瓶颈就在于EMC问题;下面从二十二个方向给我们分享下PCB布板与EMC;
一.熟透高频开关电源电路方可沉着进行PCB规划之EMI高频开关电源电路 
高频开关电源EMC检测不过关与PCB设计工程师的责任大吗?

上面的高频开关电源电路对EMC的影响可想而知,输入端的滤波器都在这儿;防雷击的压敏;防止冲击电流的电阻R102(合作继电器减小损耗);要害的虑差模X电容以及和电感合作滤波的Y电容;还有对安规布板影响的保险丝;这儿的每一个器材都至关重要,要细细品味每一个器材的功能与作用。规划高频开关电源电路时就要考虑的EMC严格等级沉着规划,比方设置几级滤波,Y电容数量的个数以及方位。压敏巨细数量挑选,都与我们对EMC的需求密切相关,欢迎我们一同评论看似简略其实每个元器材包含深入道理的EMI高频开关电源电路。 
二.高频开关电源电路与EMC:(最了解的反激主拓扑,看看高频开关电源电路中哪些要害当地包含了EMC的机理) 

上图的高频开关电源电路中打圈几部分:对EMC影响十分重要(留意绿色部分不是的),比方辐射我们都知道电磁场辐射是空间的,但根本的原理是磁通量的改动,磁通量涉及到磁场有用截面积,也就是高频开关电源电路中对应的环路。电流能够发生磁场,发生的是安稳的磁场,不能向电场转化;但改动的电流发生改动的磁场,改动的磁场是能够发生电场(其实这就是有名的麦克斯韦方程我用浅显言语来说),改动的电场同理可发生磁场。所以必定要重视那些有开关状况的当地,那就是EMC源头之一,这儿就是EMC源头之一(这儿说之一当然后续还会讲到其它方面); 比方高频开关电源电路中虚线环路,是开关管注册和关断的环路,不只规划高频开关电源电路时开关速度能够调理对EMC影响,布板走线环路面积也有着重要的影响!另二个环路是吸收环路和整流环路,先提前了解下,后边再讲!
三.PCB规划与EMC的关联
1.PCB环路对EMC的影响十分重要,比方反激主功率环路,如果太大的话辐射会很差。 
2.滤波器走线作用,滤波器是用来滤去搅扰的,但若是PCB走线欠好的话,滤波器就可能失掉应该有的作用。 
3.结构部分,散热器规划接地欠好会影响,屏蔽版的接地等;
4.灵敏部分与搅扰源头过近,比方EMI高频开关电源电路与开关管很近,必然会导致EMC很差,需求有明晰的隔离区域。 
5.RC吸收回路的走线。 
6.Y电容接地与走线,还有Y电容的方位也很要害等等! 
等等。先想到这说这些,后续会详细评论,先起个引子。 
下面举一个小比方: 
高频开关电源EMC检测不过关与PCB设计工程师的责任大吗?

如上图中虚线框,X电容引脚走线做了内缩的处理,我们能够学习下,怎样让电容引脚走线外挂(选用挤电流走线)。这样X电容的滤波作用才干够到达最佳状况。
四.PCB规划之预备事项:(预备充分了,方可规划步步稳健,防止规划推翻重来) 
大致有以下的一些方面,都是自己规划过程会去考虑,所有的内容跟其他教程无关,都是仅仅自己的经验总结。 
1.外观结构尺度,包含定位孔,风道流向,输入输出插座,需求与客户体系匹配,还需求与客户沟通装配上的问题,限高等等。 
2.安规认证,高频开关电源产品做哪种认证,哪些当地做到根本绝缘爬电间隔要留够,哪些当地做到加强绝缘留够间隔或开槽。 
3.封装规划:有没有特别期间,如定制件封装预备。 
4.工艺道路选定:单面板双面板挑选,或是多层板,依据原理图及板子尺度,本钱等归纳评价。 
5.客户的其他特别要求。 
结构工艺相对会更灵敏,安规仍是比较固定的部分,做什么认证,过什么安规规范,当然也有一些安规是许多规范中通用的,但也有一些特别高频开关电源产品比方医疗会比较苛刻。
为了新入门工程师朋友们不至于目不暇接;
接下来列出些遍及高频开关电源产品通用的,下面是关于IEC60065总结出来的详细布板要求,针对安规需求紧记,碰到详细高频开关电源产品要会针对性处理: 
1.输入保险丝焊盘制件的间隔安规要求大于3.0MM,实践布板依照3.5MM(简略说保险丝前依照3.5MM爬电间隔,之后依照3.0MM爬电间隔)
2.整流桥前后安规要求2.0MM,布板依照2.5MM。 
3.整流后安规一般不做要求,可是高低压间依据实践电压巨细留间隔,习气400V高压留2.0MM以上。 
4.初次级间安规要求6.4MM(电气空隙),爬电间隔依照7.6MM为最佳。(留意这个跟实践输入电压相关,需求查表详细核算,供给数据仅供参阅,以实践场合为准) 
5.初次级用冷地,热地标识明晰;L,N标识,输入AC INPUT标识,保险丝正告标识等等都需求明晰标出; 
我们对上面有疑问的,也能够评论,互相学习! 
再次重申实践安规间隔跟实践输入电压相关以及作业环境有关,需求查表详细核算,供给数据仅供参阅,以实践场合为准;
五.PCB规划之安规考虑其它要素
1.了解自己高频开关电源产品做什么认证,属于什么高频开关电源产品品种,比方医疗,通讯,电力,TV等各不相同,但也有许多相通的当地。 
2.安规中与PCB布板严密的当地,了解绝缘的特色,哪些当地是根本绝缘,哪些当地是加强绝缘,不同规范绝缘间隔是不一样的。最好是会查规范,并且会核算电气间隔,爬电间隔。 
3.高频开关电源产品的安规器材要点留意,比方变压器磁性与原副边联系; 
4.散热器与周边间隔问题,散热器接的地不一样绝缘状况也不一样,接大地仍是冷地,热地绝缘也布一样。 
5.保险的间隔特别留意,要求最严格当地。保险丝前后间隔布共同。 
6.Y电容与漏电流,接触电流联系。 
后续会详细阐明间隔该怎样留,怎样做好安规要求。
六.PCB规划之电源布局
1.首要衡量PCB尺度与器材数量,做到疏密有致,要不然一块密,一块稀少很丑陋。 
2.将高频开关电源电路模块化,以中心器材为中心,要害器材优先放的准则一次放置器材。 
3.器材呈笔直或水平防置,一是漂亮,二是便利插件作业,特别状况能够考虑歪斜。 
4.布局时需求考虑到走线,摆放到最合理方位便利后续走线。 
5.布局时尽可能减小环路面积,四大环路后边会详解到。 
做到上述几点,当然要灵敏运用,比较合理的布局很快就会诞生。 
下面是我画的榜首块童贞PCB板,许多年前的作业,其时十分的艰苦完结的,中心可能有小问题,不过大体布局仍是值得学习的: 
高频开关电源EMC检测不过关与PCB设计工程师的责任大吗?

此图功率密度仍是比较高,其中LLC的操控部分,辅佐源部分以及BUCK高频开关电源电路驱动(大功率多路输出)部分在小板上,就没拿出来,看看主功率方面的布局特色吧: 
1.输入输出端子是固定死的,不能动,板子是长方形的,主功率流向怎样去挑选? 
这儿选用由下至上,由左及右的办法来布局,散热是依靠外壳。 
2.EMI高频开关电源电路仍是明晰的流向,这点很重要,要不紊乱了不漂亮也对EMC欠好。 
3.大电容的方位尽量考虑到了PFC环路以及LLC主功率环路; 
4.副边的电流比较大,为了走电流,以及整流管散热,选用了这样的布局,整流管在上,BUCK高频开关电源电路MOS管鄙人,散热涣散作用好;大功率的顶层一般走负,底层走正。 
每个板子有自己的特色,当然也有自己的难处,怎样合理处理是要害,我们从中能了解布局合理选取的含义吗?
七.PCB实例赏析
能够依据之前谈论的PCB布局要害,检视此板,是否做的很到位,我认为是做到比较好的当地了,当然瑕疵总会有,也能够提出来,单面板如此紧凑能做到这样已实属不易了,能够借此板学习评论!后边还会针对此板解说学习,我们先赏识下。 

八.PCB规划之四大环路知道:(PCB布局的根本要求就是四大环路面积小)

弥补一下,吸收环路(RCD吸收以及MOS管的RC吸收,整流管的RC吸收)也很重要,也是发生高频辐射的环路,对上图有任何疑问,都欢迎评论,不怕任何质疑,只要是针对问题的质疑,一同评论学习才干更大的前进!
九.PCB规划之热门(起浮电位点)及地线: 

留意事项: 
1.针对热门,必定要特别留意(高频开关点),是高频辐射点,布局走线对EMC影响很大。 
2.热门构成的环路小,走线短,并且走线不是越粗越好,而是够走电流够用就好。 
3.地线要单点接地。主功率地和信号地分隔,采样地独自走。 
4.散热器的地需求接主功率地。
十.EMC整改心得领会 
均为个人了解,或许与传统材料教材有差异,请自己酌量,横竖我觉得许多通用的教材成果没我自己总结的运用,自夸了。想说的许多,可能有些乱,都是实践出来的! 
一.EMC发生以及测验时测得的成果怎样去了解:简略来说就是怎样对症下药,许多状况拿到榜首轮测验成果,怎样将成果和电源去对照剖析;主题思路如下: 
1.针对传导,测验范围规范15K-30M,常见的EN55022是150K起。传导的源头是怎样发生的呢?针对低频,主要是开关频率以及其倍频(后续有图解),这种从源头是无法处理的,开关频率是无法消除的,当然你能够改动开关频率,那也仅仅将测验成果移动了,并没有真实含义上消除。只能经过滤波器来处理,一般来说关于低频选用R10K这种高磁通原料有很好的作用,磁环巨细跟你功率有联系,一般到达10MH感量,乃至更大到20MH,合作Y电容一般能很好处理,低频不是难点;真实的难点是高频,个人认为,高频的起因就杂乱多了,有开关导致,有变压器可能,也有电感的可能,也就就是一切存在开关状况的当地都可能存在(怎样判别详细方位,后续解说),这儿需求一番摸索;找到源头未必源头能处理,可能有改进,仍是的合作滤波器。针对高频,选用低磁通原料,如镍锌环,感量一般都是UH级其他,合作适宜Y电容(比较杂乱的电源,主张布板时多留几个Y电容方位,便利整改); 
2.一些合作手法,许多教材都说到增大X电容判别差模仍是共模,有必定含义可能实践协助不大,规划时一般我们X电容都会放到适宜的值。并且增大X电容就能处理差模问题,也是瞎扯,所以许多教材都是供给必定含义辅导,个人觉得没什么用。我觉得比较好的手法有几个:1.对照接地和不解地总结差异,不接地可能更差,原因是体系结构的传导途径少了;也可能有改进,阐明是经过地回路传导到端口。详细处理办法,针对高频开关电源电路接地的点Y电容进行调理以及加磁珠。2.在输入端口套磁环,若套低U环有改进,调理榜首级滤波电感。3杂乱的体系留意EMI高频开关电源电路的屏蔽办法。若办法都没什么作用,反省PCB规划,这方面在PCB规划中会讲到。 
3.针对辐射:有必要找出源头去处理,观测榜首次测验成果,若是30M邻近超出,跟接地相关,体系上找接地,并且要判别测验时是否接地良好,有时分输入线都有影响。2.40M-100M以内,一般是MOS管注册关断引起,有时后为了现场欠好直接判别是注册仍是关断,可针对性整改观测成果去验证(当然这都得花钱,后续会解说怎样用示波器去判别,这可是密招)。3 100M以上多为二极管引起,整改二极管吸收电容,大功率的有的可能是同步整流,更改MOS管吸收环路,记住有时分调整C时还得合作R整改。 
要说的太多,后续针对详细实例去弥补吧,先手打这么多,横竖我打的够辛苦,能引起共鸣很难,究竟每个人的整改阅历差许多,就当给新人朋友一些启示吧,后续会举例阐明!
十一.布板走线之滤波电容走线
滤波电容的走线对滤波作用有至关重要的作用,走的欠好,可能失掉其应有的滤波作用。 
图一是副边整流滤波走法,使二个电容作用分摊,防止第二个电容在整流回路中失效。

图二:为输出滤波电容走线,必定不要外挂(也就是被旁路掉),走的欠好输出纹波很差。

十二.LLC高频开关电源电路的布板与EMC 

LLC高频开关电源电路我们最了解不过了,虚线圆圈是驱动高频开关电源电路,在高频开关电源电路规划时紧靠MOS管放置,也就是说IC供给的驱动只需求引二根线拉到驱动高频开关电源电路,驱动高频开关电源电路离MOS管近,防止被搅扰(同时走线时也要留意驱动搅扰到灵敏信号,既是灵敏信号也是搅扰源);一旦驱动被搅扰电源可想而知。 
同理同步整流的MOS管驱动也要离同步整流管近,规划原理图时像此图这样放就能很好了解,假设你将这高频开关电源电路给PCB工程师布板,他就很直观怎样布局走线,你若是画得很乱,许多PCB工程师对高频开关电源电路了解得布透彻可能就简略布错板。 
别的:原边有一个重要的环路,PFC电容与MOS管以及变压器,谐振电感,谐振电容构成的环路面积小; 
副边整流滤波环路相同重要,电容的走线之前讲过,也很重要; 
走线时留意高低压的间隔,有些当地电压是起浮的,有必要当作高压来对待,比方上管驱动以及对应的参阅电压。 
至于EMC方面LLC的注册是软开关,注册对EMC几乎没有影响,要点重视是关断速度的快慢对EMC影响;还有MOS管结电容并的电容对EMC影响很大,挑选电容不适宜,或是不加(MOS管本身也有结电容)对EMC都可能有影响,这是要点留意的当地;此图没有Y电容,在MOS管正或许负防置Y电容也能很好滤去开关搅扰; 
对此高频开关电源电路有什么疑问的,能够提出来评论,在评论中彼此生长!
十三.高频开关电源电路规划与布板之PFC

上图是典型的BOOST PFC高频开关电源电路: 
左边绿色方框部分是驱动高频开关电源电路,和之前LLC拓扑驱动一样,离MOS就近放置,原理图上就表现出来。 
右边绿色虚线方框部分,是MOS管关断尖峰吸收高频开关电源电路,一样与MOS管构成环路要最小; 
别的二大重要环路,一是MOS管注册环路(虚线赤色图),另一个是MOS管关断环路(实线赤色图);环路面积尽可能小;
十四.磁环在EMC中妙用 
有的高频开关电源产品EMC很难在源头上去处理的,能够选用磁环滤波,当然我这儿说的磁环有二个层面的意思,一方面是输入输出端的滤波电感,选用不同原料磁环,不同匝数会有对应的作用,还有一方面意思是直接在输入输出线上套磁环,有时能起到妙用,但不是在所有场合都能用,最少仍是能作为判别依据; 

上图蓝色和黑色线是输出正负端,上面套了个磁环,处理了输出整流管引起的高频端超出;有些时分端口的搅扰在PCB板上加滤波器未必有用果,在输出线上放磁环就有想不到的作用。
十五.PCB走线之要害信号 

留意: 
1.CS信号(采样信号):从采样电阻R25,R26拉出,留意IC的地线以采样电阻为基准,采样电阻的正负差分走线拉倒IC CS脚以及IC 的GND脚。 
2.驱动信号从驱动高频开关电源电路拉倒IC驱动引脚,留意不要搅扰到CS脚;如图走线三根线并排走,并且将地线走在驱动先和CS线中心起到必定屏蔽作用; 
3.双面板最好将IC一层铺地屏蔽,铺地的网络必定要从IC GND引出,非要害信号GND可直接打过孔,要害信号地需求单点接地,直接接IC; 
4.FB反应网络信号留意查分走线并且单点接IC; 
5.RCD吸收网络不要放在主回路; 
6.VCC的整流滤波地需求接主功率地,二级滤波可接IC 地; 
7.Y电容走线独自接,不行与主功率混杂,防止搅扰;
十六.主功率及操控部分地接线示意图

可能许多人看到此图,云里雾里的,大致介绍下: 
1.PFC的驱动和IC共地接PFC管,更详细点是接采样电阻的地; 
2.DC-DC部分的驱动地和操控地接DC开关管部分的采样地; 
3.辅佐源部分操控地接辅佐源MOS管采样第,MOS管地再接主功率地; 
4.各自IC的供电地经过辅佐源EC滤波接IC地,留意RC滤波接近IC; 
总结:留意好各自的单点接地,地线不乱,是走线最重要的当地之一!!!
十七.电磁场屏蔽机理剖析 
图一:磁场屏蔽原理 

如图对照:输入和输出的电场搅扰能够经过电容传输耦合,若增加屏蔽板,则增加了C4的巨细,并且C1也会减小,对电场搅扰起到衰减的意图;
图二:磁场屏蔽原理

如图:磁场屏蔽的特色和磁场不一样,需求外壳屏蔽,电场只需求平面屏蔽板,故散热器屏蔽带来的是电场屏蔽,有的选用外壳封闭式电源则起到了必定磁场屏蔽; 
磁场屏蔽原理,磁场经过屏蔽罩会改动磁路,导致磁力线向周围分散,中心磁场搅扰到达屏蔽意图;
十八.开关器材与EMC  
对器材的知道对EMC也有着重要的含义,比方MOS管,主开关MOS是很重要的EMC源头之一,还有整流管的注册以及关断也会发生高频辐射(原理是电流发生磁场,改动的电流发生电场);当然这儿主要是介绍半导体开关器材,其他的电感变压器就不做阐明晰; 
开关器材哪些参数对EMC有重要影响,我们常说快管,慢管是以什么作为参照的呢?我们都知道快管注册损耗小,为了做高功率都喜爱用,可是为了EMC顺畅经过,不得不放弃功率,下降开关速度来减弱开关辐射; 
关于MOS管,注册速度是由驱动电阻与输入结电容决议的;关断速度是由输出结电容与管子内阻决议; 

 
参照以上两图,是不同类型的MOS管,对比下输入结电容和输出结电容,2400PF与800PF;780PF与2200PF;一看就知道榜首个规格是快管,第二个是慢管,这时分决议开关速度还要与驱动电阻匹配;惯例状况驱动电阻在10R-150R比较多,选取驱动电阻与结电容有关,针对快板驱动电阻可适当增大,慢管驱动电阻可适当减小; 
关于二极管,有肖特基二极管,快回复二极管,一般二极管,还有一种用的比较少的SIC二极管,开关速度SIC二极管几乎为零,等于是没有反向恢复,开关辐射最小,并且损耗也最小,唯一的缺陷就是价格昂贵,故很少用;其次就是肖特基二极管,正向压下降,反向恢复时间短,依次是快回复和一般二极管;需求在损耗和EMC之间折中;一般可采纳改吸收以及套磁珠等办法整改EMC;
十九.EMC之滤波器 

滤波器的架构挑选对滤波器的影响很重要,在不同场合,滤波器是依据阻抗匹配来到达滤波作用,我们可依据此图的准则参阅选取怎样滤波;比方最常用的输出整流桥后选用π型滤波以及输出端选用LC滤波器; 
滤波器的原料对规划滤波电感也是至关重要,选用不同初始磁导率的原料会在不同频率段起作用,选错原料就彻底失掉应有的作用;
二十.EMC之反激高频等效模型剖析
先从最简略的模型了解EMC: 
EMC的途径,当然空间辐射是跟环路有关,环路也是途径结构成的;剖析出反激高频等效模型,协助了解EMC构成的机理;我们的测验接纳设备会从L,N端接纳传导,为了减小接纳的搅扰,就有必要让搅扰经过地回路流转而不从L,N端口流向接纳设备;这时分我们的EMI电感以及Y电容经过阻抗匹配就能够完成;别的原边的搅扰能够经过原副边Y电容,变压器杂散电容以及大地耦合到副边,构成更多的回路;当然一些结电容参数,如MOS管结电容,散热器结电容也能构成流转途径;
二十一.辐射的方式以及频率散布 
这个图可能有些笼统,不过正好EMC是很难做到详细,需求给到我们一些启示,可知:差模辐射是以环路的方式存在,而共模辐射是以天线的方式发射;因而正好印证前面说我们布板的时分开关环路的布局以及走线的时分不要走锐角,惯例走45度,最好是圆弧走线,当然走线功率会比较低; 
这些原理基础常识了解得好,对实践处理EMC作业以及布板很有用那个,如果没这种认识,可能毫无用处,由于供给不了直接办法,需求与其他常识想结合; 
并且这儿提的许多原理东西,在许多EMC材猜中是看不到的,并且也没这么会集,需求重复领会! 

如图:一些频率端与高频开关电源发生部位的联系,这仅仅一般规则,不要彻底信任;既是规则又不能尽信是为什么?规则并不是在所有状况下建立,不同电源的差异也很大,所以原理是帮你剖析,而不是依照办法去硬套;
二十二.EMC实例
依据传导实例,频率的散布点要害是详细的数据与基频之间的联系,这个测验完后,需求推测这些数值的规则,可能能发现什么蛛丝马迹;当然关于这些频率怎样经过滤波器去处理的手法前面也说过了; 
这儿是给我们弥补一些好像很奥秘的EMC它是怎样来的,感觉不再奥秘,而不仅仅稀里糊涂的选用滤波器处理了问题! 

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