差模共模-EMC及無Y電容開關(guān)電源變壓器的設(shè)計探討高頻開關(guān)電源變壓器在電磁兼容性及無Y電容設(shè)計方面的關(guān)鍵技術(shù)。作者：背景介紹集成電路設(shè)計集成電路設(shè)計是現(xiàn)代電子產(chǎn)品背后的關(guān)鍵技術(shù)。它涉及電路拓撲、信號完整性、噪聲抑制等多個領(lǐng)域。開關(guān)電源設(shè)計開關(guān)電源是電子產(chǎn)品的重要供電部分,其設(shè)計需要平衡效率、噪聲、尺寸等多方面因素。電磁兼容性電磁兼容性是確保電子產(chǎn)品安全可靠運行的關(guān)鍵,需要在設(shè)計階段就充分考慮。共模噪聲的產(chǎn)生1電源開關(guān)開關(guān)電源高頻開關(guān)產(chǎn)生的電流和電壓變化2寄生電容電源變壓器、PCB走線等元件之間的寄生電容3電磁輻射高頻電流和電壓的電磁輻射開關(guān)電源中的高頻開關(guān)操作會產(chǎn)生快速的電流和電壓變化,通過電路元件之間的寄生電容耦合形成共模噪聲電流。同時,這些高頻電流和電壓變化也會產(chǎn)生強烈的電磁輻射,通過空間耦合也會產(chǎn)生共模噪聲。共模噪聲的路徑1開關(guān)電路快速開關(guān)造成的高頻方波電壓2寄生電容器件和PCB布線上的寄生電容3共模電流通過寄生電容流動的電流4輸出端共模電流流出并輻射干擾開關(guān)電路的高頻方波電壓會經(jīng)過寄生電容產(chǎn)生共模電流,這些共模電流最終從輸出端流出,輻射到外部環(huán)境中,造成電磁干擾。需要采取有效措施來抑制這種共模噪聲。差模噪聲的產(chǎn)生開關(guān)管切換開關(guān)電源變壓器中的開關(guān)管頻繁切換會產(chǎn)生高頻脈沖,這些脈沖會通過寄生電容耦合到輸出端,產(chǎn)生差模噪聲。電流的急變變壓器繞組中的電流急劇變化會產(chǎn)生高頻磁場,進而通過電磁感應在輸出端產(chǎn)生差模噪聲。電感儲能釋放變壓器和濾波電感中的能量在開關(guān)過程中的快速釋放會導致電壓尖峰,形成差模噪聲。差模噪聲的路徑1PCB走線差模噪聲通常通過電源線路和接地線路在PCB上傳播。布線時需要最小化并行線長和交叉接點。2元器件耦合電感、電容等器件之間的內(nèi)部耦合可產(chǎn)生差模噪聲傳播。選用低噪聲器件并合理布局是關(guān)鍵。3變壓器耦合開關(guān)電源變壓器的漏感和電容耦合可能導致差模噪聲。設(shè)計時需要優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)來降低耦合。EMC設(shè)計策略預防共模及差模噪聲通過合理的電路設(shè)計和器件選擇,最小化共模和差模噪聲的產(chǎn)生。優(yōu)化噪聲傳導路徑通過專業(yè)的布線、屏蔽和濾波設(shè)計,抑制噪聲在電路內(nèi)的傳導。改善系統(tǒng)的EMI特性采用適當?shù)墓に嚭徒Y(jié)構(gòu),讓系統(tǒng)具有更好的電磁兼容性能。滿足相關(guān)標準要求確保產(chǎn)品在EMI/EMC測試中符合行業(yè)或客戶的相關(guān)標準。變壓器的公共模式抑制1磁偶合抑制通過變壓器繞組的特殊設(shè)計,可以降低磁偶合導致的公共模式噪聲。2電容性抑制使用合理的繞組間隔和電容配置可以抑制寄生電容引起的公共模式噪聲。3屏蔽技術(shù)合理使用高導電性材料的屏蔽結(jié)構(gòu),可以阻擋電磁場,減小公共模式噪聲。4串聯(lián)阻抗在變壓器輸出線路中串聯(lián)適當?shù)碾姼泻碗娮杩梢蕴岣吖材Ｊ揭种菩Ч２钅Ｒ种齐娐吩O(shè)計優(yōu)化電路布線和電源供應線路,降低差模噪聲耦合。濾波設(shè)計在關(guān)鍵節(jié)點加入合適的濾波電路,有效抑制差模干擾。屏蔽設(shè)計利用導電的金屬屏蔽材料,隔離差模噪聲的傳播。無Y電容設(shè)計降低共模噪聲傳統(tǒng)開關(guān)電源采用Y型電容來降低共模噪聲,但這會帶來漏電流的問題。無Y電容設(shè)計可以通過優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)和PCB布線來有效降低共模噪聲。優(yōu)化磁密分布采用合理的變壓器繞組結(jié)構(gòu)和扭繞方式,調(diào)整磁通路,可以改善共模噪聲的磁耦合,從而降低共模電流。完善屏蔽設(shè)計合理的電磁屏蔽可以阻隔變壓器泄露磁場,減少共模耦合。屏蔽材料和布局的選擇非常關(guān)鍵。優(yōu)化布線走向電源線路的布置會影響共模噪聲的傳導路徑。合理的導線走向和PCB設(shè)計可以最大程度降低共模噪聲。去偶波電容的選擇容量大小去偶波電容的容量要足夠大,以有效抑制高頻噪聲,但不能過大影響電路響應。耐壓范圍選用耐壓足夠高的電容,以承受開關(guān)電源的高頻脈沖電壓。ESR和自感低ESR和寄生電感有助于更好的高頻性能,降低隻模噪聲。工作溫度考慮電容器在最大負載條件下的工作溫度,選用適合的溫度等級。電磁屏蔽的作用電磁屏蔽是一種有效控制電磁干擾的重要技術(shù)。它通過將電子設(shè)備或線路與外界電磁環(huán)境隔離,避免電磁場的相互干擾,確保設(shè)備正常工作。同時它也可以防止產(chǎn)生的電磁噪聲外泄,影響其他敏感設(shè)備。屏蔽材料的選用和屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計是關(guān)鍵。不同類型的電磁噪聲需要采取針對性的屏蔽措施,才能有效降低干擾。屏蔽材料的選擇金屬材料鋼鐵、鋁合金等金屬材料具有優(yōu)秀的電磁屏蔽性能,可有效阻擋高頻電磁干擾。鐵氧體材料鐵氧體材料具有良好的磁性,能有效吸收高頻磁場,減少磁性干擾。導電性塑料添加導電填料的塑料材料,具有一定的導電性,可用于制造電磁屏蔽殼體。屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計1選擇合適的屏蔽材料根據(jù)工作頻率和噪聲類型選擇不同的屏蔽材料,如鋁、銅、鋼等,具有良好的導電性和磁性特性。2優(yōu)化屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計屏蔽外殼或遮蔽板的形狀和尺寸,盡可能減少縫隙和開孔,保證全面封閉屏蔽。3合理布局屏蔽將易產(chǎn)生噪聲的電路和元件與敏感電路分離,并將屏蔽布置在兩者之間,形成有效的隔離。焊接對共模抑制的影響1焊接質(zhì)量的重要性良好的焊接是實現(xiàn)有效共模抑制的關(guān)鍵。焊點接觸不良會增加寄生電容，影響共模抑制能力。2焊點電阻的影響較高的焊點電阻會導致共模電流在路徑上的壓降增大,降低共模抑制性能。3焊接工藝的選擇采用合適的焊接工藝,如波峰焊、噴焊等,可以確保焊點可靠性并優(yōu)化共模性能。導線布線的影響導線走勢導線的布置方式會影響共模電流的傳導路徑。應盡量避免電源輸入線、輸出線與信號線交叉或平行布放，減少電磁耦合。導線長度過長的導線會增加電感耦合,從而放大噪聲。應盡量縮短導線長度,特別是高頻信號線路的導線。導線交織將電源線和信號線交織布放可以增強電磁場的自抵消效果,降低共模噪聲的傳導。屏蔽設(shè)計對于關(guān)鍵的傳輸線,可以采用雙屏蔽的設(shè)計,增強電磁噪聲的抑制效果。PCB的設(shè)計布局優(yōu)化合理布局元件和線路可以最大程度降低噪音和干擾。同時還要注意電磁屏蔽和導線布線的影響。接地設(shè)計良好的接地設(shè)計能有效抑制共模噪聲。需要合理規(guī)劃接地回路并最小化接地環(huán)路面積。多層PCB采用多層PCB可以獲得更好的隔離性和抗干擾能力。需要合理設(shè)計層疊結(jié)構(gòu)和導體層的分配。濾波電路的設(shè)計濾波電路概述濾波電路用于從開關(guān)電源中去除高頻噪聲和紋波信號,確保輸出電壓穩(wěn)定。它包括輸入和輸出兩個階段的濾波設(shè)計。濾波器件選擇常用的濾波器件有電感和電容。要根據(jù)電源的輸出功率和開關(guān)頻率,選擇合適的元件規(guī)格。布局設(shè)計濾波電路的布局要合理,避免噪聲干擾。需要考慮接地、元件布置、走線長度等因素。電源輸出濾波濾波電路設(shè)計在開關(guān)電源輸出級采用多級LC濾波電路,使輸出噪聲和紋波降到最低,滿足EMC要求。合理設(shè)計濾波電路的截止頻率和阻尼系數(shù),確保濾波效果良好。濾波器拓撲常見的濾波器拓撲包括π型、π/2型和T型。選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu),優(yōu)化元件參數(shù),可提高濾波性能。元件選擇濾波電容需要選用低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL)的產(chǎn)品,以減少容性和電感性損耗。電感應選用鐵粉芯,具有低漏電感和高飽和磁通密度的特點。測試與驗證噪聲及諧波測試通過諧波分析儀和噪聲分析儀測量開關(guān)電源的噪聲及諧波含量,確保符合行業(yè)標準要求。耦合電容測試測量開關(guān)電源與地之間的耦合電容,確保符合EMC標準,減少共模噪聲干擾。電磁兼容測試采用CISPR等標準,在各種條件下測試開關(guān)電源的電磁兼容性,確保符合要求。噪聲及諧波的測試對于開關(guān)電源變壓器設(shè)計,需要進行噪聲和諧波的測試,以確保其符合EMC標準要求。這包括對共模噪聲、差模噪聲、諧波畸變等指標進行測試與分析。測試指標測試方法判斷標準共模噪聲采用電源線串聯(lián)阻抗測試需符合相關(guān)EMC標準限制差模噪聲采用電源線電壓測試需符合相關(guān)EMC標準限制諧波畸變采用電源線電流測試需符合相關(guān)電力質(zhì)量標準耦合電容的測試耦合電容是影響共模噪聲傳播的關(guān)鍵因素,需要進行仔細測試和驗證?？梢圆捎脤I(yè)測試儀器,如LCR表、電導分析儀等,準確測量不同電路節(jié)點間的耦合電容值。同時還需要測試耦合電容對高頻共模噪聲的影響,可使用網(wǎng)絡分析儀等進行頻譜分析,了解耦合電容對噪聲抑制的效果。通過調(diào)整布線、屏蔽措施等優(yōu)化設(shè)計,最終使耦合電容達到EMC設(shè)計要求。電磁兼容測試電磁兼容性測試是確保產(chǎn)品符合電磁環(huán)境要求的關(guān)鍵步驟。這包括測試產(chǎn)品在不同的電磁干擾源下是否能正常工作,以及產(chǎn)品自身對環(huán)境的電磁輻射是否滿足標準要求。3標準通常包括CISPR和IEC等三大電磁兼容性標準體系。100M頻率測試頻率范圍從幾十赫茲到幾百兆赫茲不等,覆蓋大部分電子設(shè)備的工作頻段。4環(huán)境模擬工業(yè)、家用、醫(yī)療等不同的電磁環(huán)境條件。2結(jié)果測試結(jié)果判定產(chǎn)品是否符合相關(guān)標準要求。溫升及電磁兼容的優(yōu)化1熱量管理通過優(yōu)化散熱設(shè)計,如增加散熱片或風扇,可有效降低裝置溫升,提高耐用性。2屏蔽優(yōu)化調(diào)整屏蔽材料和結(jié)構(gòu),可進一步提高共模噪聲的抑制能力。3濾波優(yōu)化優(yōu)化濾波電路參數(shù),可改善噪聲和諧波的抑制效果,提高EMC性能。4阻抗匹配調(diào)整關(guān)鍵節(jié)點的阻抗,可降低反射噪聲,改善整體的電磁兼容性。實際案例分享我們將分享一個實際的開關(guān)電源變壓器設(shè)計案例。這是一款5V/2A的AC-DC電源轉(zhuǎn)換器,需要滿足嚴格的EMC要求。我們將介紹在設(shè)計過程中