EMC设计 【开关电源】
本篇将围绕福州大学老师在哔哩哔哩上传的课程,记录学到的、发散的知识点。视频链接见下:
Bilibili”口算Maxwell方程组”的【课程三:EMI 滤波器设计方法】
Bilibili”口算Maxwell方程组”的【开关电源磁元件EMC及EMI滤波器设计】
EMC 三要素

三要素为:噪声源、传播路径、敏感设备
传播路径又可以分成三大类:传导电磁干扰、近场耦合、空间辐射
传导电磁干扰可以分为差模噪声和共模噪声
差模干扰是通过电路中的电流纹波引起的,在 L 线和 N 线中形成回路
因为回路清晰,得到回路中的阻抗较简单,因此差模干扰比较好处理
共模噪声是由电压跳变点通过对地的分布电容产生了位移电流,经过大地、L 线、N 线形成回路,因此想要解决共模噪声就需要分析电压跳变点的对地电容内阻抗,进而得出改进方法。
开关电源中的 EMI 抑制策略
近些年,随着半导体产业的突飞猛进,开关电源开关频率也在飞速增长,大家都在追求板面积尽量减小的同时效率还能提高,那么元器件必然会贴近,近场耦合造成的 EMI 就会成为大问题,因此在学习开关电源时,懂得如何 EMC 设计成为了电源工程师必不可少的一节课。
对于开关电源的 EMC 优化有许多方面:

一方面就是考虑主体电路是否可以优化,另一方便就是考虑 EMI 滤波器是否可以优化。
本文将先从优化 主体电路 中的功率磁元件入手,随后在介绍开关电源必不可少的 EMI滤波器 部分。
功率变换器中的功率磁元件
作为磁能和电能的桥梁,考虑电磁兼容就必须考虑到磁性元件,常见的磁元件就是线圈的衍生元器件:电感、变压器…

一个 UPS(开关电源) 就会涉及到许多感性元件

对于这些电感,在电气模型当中,可以简单的视为”电感”,而在高频模型中,要考虑其寄生电容、寄生电阻,等效就变得繁琐、而在 EMI 模型,可以视为 多个电感高频模型 的串联:

上图不难看出,在低频阶段,电感只需用电气模型等效即可,高频时,就需要使用高频模型了,而到了 150kHz~12MHz 时,其等效就是 EMI 模型。

从磁元件入手
不同的绕制方式
透过上图 LPFC 电感阻抗特性,我们就可以看到其在不同频段处理差模噪声的效果是不同的,改变寄生电阻和本身电感值都不如改变寄生电容简单,因此在绕制电感时,我们会注意层与层之间该怎么控制等效分布电容,下图就是绕制并联等效电容 EPC 计算模型:

不同的连接方式
除此之外,在接线中,想要更好的抑制共模信号,可以采取方案二方式进行接线
方案一即将噪声源所在的这一点放在内层(对应 0~U/2 电位分布)
方案二即将噪声源所在的这一点放在外层(对应 U~U/2 电位分布)


添加一个反相绕组真的好吗?
我们常说,减少共模的一种方式是使用共模电感,两端同时出现相反的噪声,就可以相互抵消,在理论上,确实可行,它可以实现将共模噪声降至最低,但是实际当中,会有很大的麻烦——

因为共模电感是变压器,我们在分析的时候忽略了这一点,因此我们观察右下角对比图就可以发现,红色走线是左侧加入了共模电感来抵消共模噪声的电路反应图,它在低频的时候,比不接入共模电感的蓝线表现的好,但是在高频时,它搞砸了。这正是因为共模电感的漏磁和分布电容,会影响共模噪声的抵消效果。
那粉线又是怎么回事?粉色的线是图中右上的电路,其表现很好,这是因为加入共模电感后,将共模电感等效为一个变压器,然后再进行优化得到的结果。因此不能随意加入共模电感,还需要考虑它的高频段带来的副作用,然后考虑是否可以引入其他的元器件来优化它高频段带来的副作用。
反激变压器杂散参数影响共模噪声源

上边两个变压器,参数都一样,仅是缠绕方式不同,就出现了明显的不同,可以说,变压器和共模电感,都是会在高频段造成共模噪声的。
在他们的等效图中,我们可以看到,变压器的平行端子间,等效串联了一个电容,即形成了共模噪声回路。


变压器的接法和绕制方式都会影响共模噪声的处理能力,下图中第一个图对应蓝色噪声曲线,第二个图对应红色噪声曲线

三明治的接法尽管效率高,但是其 EMI 相对就比较差

加入屏蔽层——

接入补充电容 Ca,将变压器副边的电荷相互抵消,此时CM Noise(共模噪声)就会降到极低

LLC 电路变压器共模噪声路径

加入屏蔽层并优化对共模电感的抑制

引入反向共模噪声来抑制噪声
因为 LLC 有两个电感,因此可以通过放大反向共模噪声来抑制共模噪声

其抑制结果比较可观,采样的方法可以是接反向电感或者外挂电容的方法
小结
调整变压器共模有效电容的几种方法

EMI 滤波器
EMI 滤波器设计流程

- 首先要获取它的差模噪声和共模噪声,可以通过电压分离器进行分离或者电流探头用电流法来获得
- 随后,需要确认限制基线,然后在原始噪声的基础上减去限制基线后再加上 6dB 的裕量
- 噪声源内阻抗提取可以通过
插入损耗法和散射参数法来获取。 - 再根据阻抗失配原则,确定滤波器拓扑结构
- 确定拓扑结构后,就可以先从安规电容入手,确定完电容,再考虑大块头电感
- 因为电感内有高频电磁场,易干扰外部元器件,因此还需要考虑摆放位置即分布参数
- 也要考虑元器件之间的近场耦合
- 电感的感值并不是一成不变的,因此还要考虑其非线性
- 最终进行 EMI 测试,如果测试不合格就要考虑回到步骤 5 上
噪声源内阻抗提取方法
插入损耗法

将开关电源视作两端网络,通过接入的 RLISN 的方式不同,可以获得其共模噪声电流值和差模噪声电流值

散射参数法

电感器等效电路


磁芯考虑

磁芯需要考虑频率磁导率和温度磁导率和偏磁磁导率三者,来获得一个动态的电感值
绕组考虑



共模滤波电感的工频电流偏磁影响

共模电感的测量方式



共模滤波电感的仿真模型
共模滤波电感可以搭建下图的仿真模型来实现初步的仿真测试
一般的,对于无法获取实测值的情况,如果有可靠的模型数据(元器件公司所提供),也可以作为参考。


