- 积分
- 557
- 在线时间
- 1077 小时
- 最后登录
- 2022-2-4
- 阅读权限
- 50
- 精华
- 0
 
- UID
- 482175
- 帖子
- 672
- 精华
- 0
- 经验
- 557 点
- 金钱
- 551 ￥
- 注册时间
- 2012-3-20
|
楼主 |
发表于 2012-11-4 15:39
|
显示全部楼层
本帖最后由 钓鱼听音乐 于 2012-11-4 15:52 编辑
EMI工程师眼中的开关电源（SMPS）
摘要： 几乎所有的电子设备都需要一个将市电转化为适合自己需要的逆变电源，逆变电源中的绝大多数都是开关电源，开关电源可有多种拓扑结构，拓扑有不一样，各自特性也就有差别， EMI 设计上也就有许多不同，但它们都遵循楞次定律。开关电源具有体积小，效率高的优点，但干扰问题制约其使用，由于电源的传导或则辐射干扰的问题，致使许多设计不能在认证测试中通过而被淘汰。为了能够通过 EMI 滤波器设计来通过相应的标准， EMI 工程师必须对开关电源特性有一定层次的理解，笔者最近作为 EMI 滤波器设计和测试的工程师，接触了几种电源拓扑以及不同的电压电流要求的逆变器，希望能和大家分享我所观察到的一些想象，本文首先简单介绍一下开关电源（ SMPS ），然后介绍开关电源的 EMI 滤波器设计流程方面，通过本文的讨论，笔者希望读者能深入理解开关电源的 EMI 设计。
关键字： 滤波器,EMI,SMPS
介绍
可能你会认为开关电源不复杂，实际上，开关电源设计是非常复杂的，必须保证必要的参数准确，这里讨论一下开关电源的基本知识以利于 EMI 设计工程师了解开关电源的设计，因为开关电压的设计是传导辐射设计的出发点。许多的文章和书籍都介绍过开关电源的设计，你可以参考张占松编写的开关电源设计一书，也可以参考 Press 先生的世界名著， power switch supply design 一书，在此我就不重复其内容，我在这里主要介绍一些涉及到 EMI 的开关电源的设计，并提供试验数据以及必要的分许手段和方法，以侧重于 EMI 工程师的实际工作。
因为高频开关电源需要的变压器体积小 , 所以高频开关电源比起传统的线性电源来讲总体的体积要小 , 但是开关电源的效率远比传统线性电源高 (65%~80% V35%) 。因为开关电源在工作的时候发出较大噪声，所以它是一个巨大的电磁干扰发射源 [1]. 如果没有合适的 EMI 设计，逆变电源不但是一严重的传导干扰源，而且可以看成一个辐射的干扰源 [2] 。
开关电源可以看成归类为一个将交流（ AC ）或直流（ DC ）转化成直流（ DC ）输出的逆变电源，其输出可以是单路，也可以是多路输出。交流（ AC ）逆变成直流（ DC ）的逆变器首先必须整流成接近直流（ DC ）的电源，然后的逆变过程和直流（ DC ）转直流（ DC ）相差不多。开关电源有许多拓扑结构，但是它们的共同点都是接近直流的电流不断的斩断，形成一个开关状态。导致电感或则变压器电压呈现脉冲的形式。开关电源的关键所在就在于根据楞次定律，电感电流不能突变，一般来说开关管导通，电感储能，当开关管关断时，电感储存的能量传输到输出，如果设计适当（电容，脉宽，整流，反馈等等），就可以得到合适的稳定的电流输出。
开关电源拓扑
开关电源的三种基本结构是 BUCK 拓扑， BOOST 拓扑和 CUK 拓扑，这三种拓扑都在参考 [3] 中有详细介绍，也可以参考开关电源设计或则 power switch supply design 等书籍本文主要讨论最简单的 BUCK 和反激电路（ flyback ）拓扑，搞清楚了所介绍的拓扑后，其他的可以用相同的分析方法来理解， BUCK 电路可以分为三个不同的拓扑： 半桥、全桥、推挽电路，半桥和全桥在拓扑上只相差两个开关管，在其他许多方面都类似，我们就不做分别讨论。图 1 、图 2 分别是推挽和全桥拓扑， 开关电源有两种工作模式： 1 、 CCM 电流连续工作模式，既是电感电流连续，即使在开关管关断后； 2 、 DCM 电感电流不连续模式，既当开关管开通前电感电流已经为零，即磁性中储存的能量为零。
开关电源器件
主要的输入元件（ EMI 工程师所关心的）是一个输入电容，变压器、晶体管（开关管），当然有 EMI 滤波器，大电容可以吸收 80% 的差模电流，所以在设计规划阶段就选择一个合适的电容非常重要，对于 EMI 工程师感兴趣的变压器的特性是的额定电感量和自感量，电感量决定了电流在传递过程中电感的压降（ V=L*dI/dt ），变压器的自感是不传递到输出端。开关管可以看成一个简单的开关和一些寄生参数的组合，主要的寄生参数是开关管的底座（ substrate ）与壳（ case ）之间的寄生电容，这个电容的冲放电形成了主要的共模干扰。归类好开关电源的主要元器件后，我们就可以专注于后续的 EMI 设计。
开关电源的主要频率是开关频率（典型值为 20KHz~1MHz ），但由于开关电流波形的复杂性，电流波形参杂许多谐波频率，对于一个推挽电路（ pull-push ），各个开关管导通时间正好互补，相位相差 180 度，图 3 为推挽电路（ pull-push ）电流波形，作为一个对比，图 4 为输入端测试的传导干扰波形。
传导干扰测试表明在最大干扰处一般出现在电压波形振荡的地方，电压振荡的原因是由于电感自感和线路感抗与寄生电容发生振荡导致，通过傅立叶变换式发现振荡不是由于梯形电压的影响，通过叠加原理，可以在整个时域得出此结论，关于此请参考 [4] 。
4 、电流模式
传导干扰测试是由设备的输入端电流或电压的测试组成，应为输入端是市电与逆变器的分界点，如果没有合适的滤波器，所有由设备产生的传导干扰都能够在此检测出来，测试方法是在被测试设备（ EUT ）与市电输入间接入一个标准阻抗。对于商业和部分军用电子设备，使用的是一种测试电压的线路阻抗稳定网络（ LISN ），本文所测试的设备是军用设备，使用 10uf 电容接地，使用电流棒检测电流。对于所有的标准，都是用 EMI 接受仪测试的干扰值与标准限制值比较。可以通过专门的分析仪分辨出传导中的共模干扰和差模干扰，针对不同干扰做相应改善。
共模干扰（ CM ）：共模干扰定义是电流相位相同（流向相同），共模干扰电流通过系统地流向电源。
差模干扰（ DM ）：差模干扰定义是电流相位相反（流向向反）。
如图 5 、 6 。
图 6 共模干扰示意图
在 smps 中，两种干扰各自由至少两种因数导致，差模干扰主要是开关电流信号干扰，很容易定义出来，因为它直接正比于输入电流；因为共模干扰电流流过地，所以它比较难定义出来。共模干扰主要是由通过开关管集电极、发射极的电压，导致开关管接点与散热片间寄生电容（电容值在 10~150pf 间）充放电从而经过地而导致。通过比较共模干扰和差模干扰引起途径的不同： 共模干扰由变化的市电输入电压引起；差模干扰由变化的市电输入引起。 我们容易分辨出一个电源 系统到底是哪种干扰占主要地位，那种处于次要地位。例如： 全桥逆变电源拓扑的差模干扰就大于共模干扰，因为其经过开关管的电压被限制在市电电压，推挽（ pull-push ）拓扑的主要干扰来自共模干扰，因为其开关管电压不能被限制住，由电感和电流变化率决定。虽然以上所说并非绝对，但是在设计开关电源前就能把握住这些大概信息对于 EMI 设计和拓扑的选择都有很大帮助。
滤波器设计的第一步是确定共模和差模信号的衰减量，最好是能够测出共模和差模干扰的大小，因为开关电源特性曲线很难得到，由于开关电源的电感和寄生电容很难精确。如果不能够测试开关电源干扰大小，可以通过傅立叶变换大概估计干扰量，在得到干扰量后，我们可以用等效电路来直接模拟计算，得到需要的相关设计数据，一般在设计的时候都要留 6db~10db 的裕量，以防个性差异。
EMI 滤波器设计
滤波器的第一感觉是一个 L-C 滤波器，剪切频率比开关电源频率低，输入阻抗比开关电源输入阻抗小，线间电容，相间电容，串联电感和共模电感等，受尺寸、重量、成本的约制。
滤波器至少由串联电感和线对地电容组成，线间电容可以提高差模干扰的高频抑制能力，但并不是不可或缺的，因为有后端的 BULK 电容或则线间电容。对地电容和串联电感决定了滤波器的剪切频率：
fc=1/(2π√LC)
其中 L 为串联电感量
C 为对地电容量。
fc 为剪切频率
如果 需要衰减 40dB 每十倍频（ dB per decade ）则每个元件需要衰减 20 dB 每十倍频 , 因此 , 通过计算开关频率处的衰减量 ( 主要为共模干扰 ), 就可以计算出来截止频率 , 有人曾经提到 , 必须降低滤波器的 Q 的增益到一个在截止频率处滤波器不振荡的值 , 因为 Q 值正比于频率与电容量 , 如下式 :
Q=2π × fc ×C ×R
通过优化设计 , 可以找到一个合适的衰减量与 Q 值得平衡点。图 7 是常用的一种滤波器（关于滤波器选择可以参考滤波器拓扑结构等相关文章）
图 7 EMI 滤波器常用的拓扑
通过合理选择电感和电容，可以很容易抑制 1MHz 内的差模干扰，通过选择合理的共模电感和对地电容，可以较容易抑制 1MHz 以下的共模干扰，但是当频率大于 1MHz 时，主要干扰为共模干扰，由于电感寄生电容的影响，对于所有共模干扰其抑制效果将下降，由于电感电容的影响，所有必须选择一个好的电容，此电容对滤波器的性能来说非常重要。在频率高于 1MHz ，共模电流干扰时主要的干扰，需要一个质量较好的电容来抑制共模干扰，如果在 1MHz 以上传导干扰不过的话，原因大多是劣质的电容或则电容设计不良以及输入输出隔离不可靠，输入输出隔离不可靠会使得发射干扰耦合滤波器，在这一频率段，发射干扰成为主要因素，为了抗扰，需要特殊的滤波器封装，可以通过 layout 间距，元件位置布置，加隔离电容，或则特殊封装等等方法来隔离。
结论
为了设计一个合格的 EMI 滤波器，就必须对影响开关电源滤波器设计的各种因数有一个了解，本文主要分享一下几年设计和测试开关电源滤波器的一些理解，这些经验不但能在估计滤波器性能上有帮助，而且能在测试改善滤波器上有帮助。
3# 发表于 2007-5-6 14:00 | 只看该作者 如何设计一个合适的电源
对于现在一个电子系统来说，电源部分的设计也越来越重要，我想通过和大家探讨一些自己关于电源设计的心得，来个抛砖引玉，让我们在电源设计方面能够都有所深入和长进。
Q1：如何来评估一个系统的电源需求
Answer：对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了，对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些。同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。
至于负载瞬态响应能力，对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求，因为当CPU突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多过低，造成CPU运行出错。
一般来说，要求的电源实际值多为标称值的＋－5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。
散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要，通过计算也是可以评估是否合适的。
Q2：如何选择合适的电源实现电路
Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标，可以来选择合适的电源实现电路了。一般对于弱电部分，包括了LDO（线性电源转换器），开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下，LDO设计最易实现，输出纹波小，但缺点是效率有可能不高，发热量大，可提供的电流相较开关电源不大等等。而开关电源电路设计灵活，效率高，但纹波大，实现比较复杂，调试比较烦琐等等。
Q3：如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数
Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的干扰问题，PCB layout问题，元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用一个开关电源设计还是非常方便的。
一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。
开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很多影响的。
而输出部分设计包含了输出电容，输出电感以及MOSFET等等，这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值（意味着小的封装和便宜的成本），但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低。使用低的开关频率带来的结果则是相反的。
对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的。
一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。
Q4：如何调试开关电源电路
Answer：有一些经验可以共享给大家
1: 电源电路的输出输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。
2: 一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。
接地技术的讨论
Q1：为什么要接地?
Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了 “地”的概念。
Q2：接地的定义
Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。
Q3：常见的接地符号
Answer: PE,PGND,FG－保护地或机壳；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)电源（电池）回流；GND－工作地；DGND－数字地；AGND－模拟地；LGND－防雷保护地
Q4：合适的接地方式
Answer: 接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频（f<1MHz）电子线路。当设计高频（f>10MHz）电路时就要采用多点接地了或者多层板（完整的地平面层）。
Q5：信号回流和跨分割的介绍
Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。
第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。
第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。（这是针对多层板多个电源供应情况说的）
Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开?
Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。
一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。
Q7：单板上的信号如何接地?
Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量；靠近地平面或者电源平面，等等。
Q8：单板的接口器件如何接地?
Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。
Q9：带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?
Answer：屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。
转自http://yxkr.5d6d.net/viewthread.php?tid=815是专业的 介绍的详细，看着有点晕 慢慢学习中 |
|
[复制链接]
105761| 169
发表于 2012-11-23 19:20
