开关电源的PCB布局及EMI滤波器设计.pdf
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1、浙江大学硕士学位论文 4 3 仿真平台的搭建4 2 4 4 本章小结4 7 第5 章总结与展望 参考文献。 攻读硕士期间发表的论文 一V 一 4 8 5 3 广泛应用到工业、商业 和军事的领域当中,功率变换器件正逐步朝着高开关频率,高效率,高功率密 度,高可靠性的方向发展,但是电源内部的电磁环境越来越复杂,产生的电磁 干扰( E M I ) 对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成了威胁,电磁兼容 ( E M C ) i n 题日益严重,严重恶化的电磁环境对电气、电子系统都将造成危害, 紧迫的现状促进了E M C 技术的迅速发展。 同时国际和国内的电磁兼容标准和规范的相继强制执行,例如国际无线
2、电 特别委员会的C I S P R 标准1 1 ,I E C 6 1 0 0 0 标准,欧洲E N 系列标准2 】【3 】,德国工 程师协会V D E 标准以及我国的国标4 1 和军标5 1 ,以及M I L S T D - 4 6 0 美国军用标 准,美国联邦通讯委员会F C C 系列标准【6 】等等,进一步使得开关电源的电磁兼 容成为一个亟待解决的问题。解决开关电源电磁干扰问题可以深入的领域很多, 如测试技术,建模技术,抑制技术,P C B 电路板布局布线优化技术等。 P C B 的设计和布局对开关电源性能的影响不亚于任何元器件的选择和电路 的设计。由于P C B 上电子元器件的密集度越来
3、越高,所产生的E M I 问题就越 来越多,良好的P C B 布局对E M C 的设计起到至关重要的作用。经验丰富的工 程师可以在同等条件下得到E M I 很小的P C B 布局,这样就可轻松满足法规所 要求的标准,同时产品质量有所提高,也减少了项目研发的时间。 E M I 滤波器是抑制开关电源传导干扰的一个有效措施。但是如果E M I 滤波 器设计不合理,反而会增大电路中的干扰,甚至使电路工作不稳定。对于工程 师而言,E M I 滤波器设计一直被认为是“B l a c kM a g i c “ ,主要有五个原因1 7 ,首 先,E M I 滤波器并没有一个确定的设计方案。其次,在E M I
4、噪声频率范围内输 入和输出阻抗不是恒定的,由于这个阻抗的测量很难实施,在实验过程中都是 推测得到的。第三,滤波器的实际高频衰减性能比预期值相差很多。第四,滤 波器的插入损耗测试方法对整个设计过程产生影响。第五,在文献中提出了设 计方法都要求进行非常复杂和费时的测量,有些还要求具备昂贵的设备才能够 满足设计要求。 随着开关电源的发展和电磁兼容法规在海内外普遍实施,E M I 问题在工业 界已经引起了广泛的关注,优化P C B 布局和良好的E M I 滤波器都是减小功率 变流器E M I 切实可行的方法。很多国内外的工业界和学术界的研究人员都在积 极研究P C B 的优化设计和E M I 滤波器问
5、题并且试图发现一些实用的方法,用 来设计用于功率变换器的E M I 滤波器。P C B 的布局和E M I 滤波器的设计正是 目前开关电源E M C 领域的两个研究热点。因此,本课题的开展在理论和实用 中都有十分重要的意义。 1 2 开关电源的电磁干扰 1 2 1 开关电源电磁干扰简介 国际电工技术委员会提出,电磁兼容是指电子设备或系统在所处的电磁环 境中能够正常运行,并且其本身产生的电磁干扰不致污染周围的电磁环境或影 响其他设备正常工作的能力【8 1 。其中电磁干扰的产生有三个不可或缺的要素: 干扰源、耦合途径、噪声接收器,如图1 1 。因此电磁兼容设计的任务就是:削 弱干扰源的能量,隔离干
6、扰耦合途径以及提高系统抵抗电磁干扰的能力。 图1 I 电磁干扰三要素 电磁干扰在生活中无处不在,日常生活中最容易受到干扰的就是电视机和 收音机,图1 2 表示影响收音机的常见干扰源。电磁干扰源按其来源可分为自 然干扰源和人为干扰源。自然干扰源是大自然现象造成的电磁噪声,对于大部 分电力电子设备而言,我们只需要考虑雷电这个自然干扰源。人为干扰源是指 电气设备或人工装置产生的电磁干扰,其涉及的范围极其广泛,一部分来自 发射电磁能量的装置,如广播、电视、通信、导航和雷达等,另一部分是 在完成自身功能的同时产生电磁能量的发射,如电动汽车、架空输电线、 办公用品、家用电器以及电子医疗器械等。人为干扰源按
7、其物理性质大致 分为主要元器件的固有噪声、放电噪声、电磁感应噪声和半导体器件开关过程 产生的噪声等,对于开关电源而言,其核心元器件就是功率半导体器件,在半 导体器件开关过程中,无论主回路还是控制回路,都存在着高的电流变化率, 他们通过引线电感产生较大的电磁干扰,因此其主要干扰即开关过程中产生的 一2 一 图1 2 影响收音机的常见干扰源 电磁干扰的耦合途径可分为传导干扰和辐射干扰,如图1 - 3 。传导干扰是指 干扰信号通过导线或其它元器件耦合到电路上的电磁干扰。这种传输方式必须 在干扰源和被干扰设备之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传 导到被干扰设备,发生干扰现象。传导干扰又分为
8、直接传导干扰和公共阻抗传 导干扰,直接干扰是指噪声直接通过金属导线、电阻器、电感器和电容器等实 际存在的元器件耦合到被干扰设备所产生的电磁噪声,而公共阻抗是指噪声通 过公共阻抗、接地平板和机壳接地线等耦合到敏感器的电磁干扰。辐射干扰是 指电磁噪声的能量以电磁波的形式向空间辐射并耦合到被干扰设备的电磁干 扰。辐射干扰分为近场干扰和远场干扰,当观测点距离干扰源小于兀看作近 场干扰,当距离大于尬7 【时看作远场干扰,其中九表示干扰源中最高频率分量 的电磁波长。由于大多数开关电源的工作频率在几十赫兹到数兆赫兹之间,并 不是很高,因此产生的干扰主要是传导干扰和近场干扰【9 】。 t 扰璃台逢径 传等T
9、,拢l| 辐翳T 拢 我拨传导| I 公款陬抗传导lI 近场勰台| | 运场糯合 图1 3 电磁干扰耦合途径示意图 电磁干扰的噪声接收器是干扰对象的总称,它包括工作环境内的任何物体, 敏感体可以是很小的元器件或电路板组件,也可以是用电设备、大型系统等。 - - 3 _ 。 浙江大学硕士学位论文 开关电源的E M I 与数字电路相比,其特点在于: 1 ) 在半导体器件开关时,其电压、电流变化率大,产生的电磁干扰较大。 2 ) 与数字电路相比,干扰源主要集中在半导体开关器件、散热器、电感和 变压器上。 3 ) 与信号处理线路布线较规则相比,在设计开关电源印刷线路板( P C B ) 时, 手工布线
10、因人而异,具有随意性,这就增加了P C B 分布参数提取的难度。 1 2 2 开关电源电磁干扰产生机理 开关电源E M I 产生的最主要原因,就是在半导体开关器件开关过程中产生 的高d v d t 和d i d t 会通过电路中的寄生电感和寄生电容产生强烈的电磁干扰。 其干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上,如开关管、高频变压器、 二极管【1 0 1 。 开关电源E M I 的传播路径可以分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是指噪 声同时作用于两根电源线上,产生同相位,同幅度的脉冲,其干扰信号在电源 线和大地之间传输的干扰,它属于不对称干扰。差模干扰是指干扰信号大小相 等,方向相反,其在两根
11、电源线传输的干扰,属于对称干扰。以升压型功率因 数校正电路( B o o s tP F C ) 为例,图1 4 和图1 5 分别表示在D 1 和D 4 导通时差模 干扰和共模干扰的传播路径。由于共模干扰和差模干扰的产生机理和传播路径 都不相同,所以在研究开关电源电磁干扰问题时都将二者分开进行研究。 L 辩 G 图1 4D I 和I ) 4 导通时差模干扰传播路径 一4 一 论文 L N G 图1 5D 1 和D 4 导通时共模干扰传播路径 1 2 3 开关电源电磁干扰建模 开关电源电磁干扰建模是E M I 仿真、预测、分析的前提条件,简单且准确 的模型是研究电磁干扰产生机理和传播的基础。目前对
12、开关电源辐射电磁干扰 的建模研究并不多,主要集中在传导E M I 建模。 无源器件建模 在E M I 的测量范围内,无源器件如电阻器、电感器和电容器其寄生参数影 响它们的高频性能,常用电感器的等效电路为R L C 并联网络,其高频模型如图 1 6 ,其中R 为等效并联电阻,C 为等效并联电容。电容器的等效电路为R L C 串联网络,其高频模型如图1 7 ,其中R 为等效串联电阻,L 为等效串联电感。 图1 6 电感高频模型 图1 7 电容高频模型 对于变压器的建模文献 1 l 】和 1 2 】提出利用集总线圈模型和多线圈模型来 建立变压器的高频模型,但是由于没有考虑漏感和原副边分布电容等寄生参
13、数 的影响,这些模型仅在1 5 0 K H z 到几兆H z 之内是准确的,文献 1 3 】又提出了一 种新的方法,其利用传输线理论建立变压器的共模干扰模型,该模型在E M I 测量范围1 内( 1 5 0 K H z 3 0 M H z ) 可认为是准确的。 功率半导体器件建模 一5 一 浙打= 大学硕士学位论文 由于开关电源的电磁干扰主要由半导体开关器件的开关过程产生,因此对 功率半导体器件的精确建模显得格外重要。很多文献对P I N 二极管建立了集中 电荷模型,但是模型不够精确,工作范围有限。对于功率M O S F E T 管的高频模 型都是用小信号的M O S F E T 模型代替使用
14、,但是两者的高频特性相差很大。大 部分文献在建模过程中都是使用现有的仿真软件中的开关器件模型,但是这些 模型并不能很好地反映其真实的高频性能。总之,对于功率半导体器件的高频 建模是一项很有挑战性的工作。 P C B 寄生参数的提取 目前常用于P C B 寄生参数提取的软件是I n c a 和A n s o f tQ 3 D 。其中,I n c a 软件只能计算分布电感,却不能计算分布电容,而通常我们认为分布电感决定 差模干扰的大小,同时分布电容决定共模干扰的大小,所以该软件不适宜解决 共模干扰的问题。 由于辐射干扰一般通过电磁感应的形式空间传播,具有一定的复杂性,因 此开关电源辐射干扰的建模的
15、成果很少。现有的文献一般都是以偶极子作为 P C B 导线的辐射干扰模型,但在实际的高频电流回路中,P C B 导线不能简单地 认为是偶极子,同时文献中只研究了P C B 导线的辐射干扰,并没有系统地研究 电路中其他元器件的辐射。 1 2 4 开关电源电磁干扰测试技术 国内外E M C 标准已经对E M I 的测量环境、测量条件、测量仪器以及测量方法 等做出了严格的规定。E M I 测试包含的主要内容如图1 8 所示。对于大多数开关电 源而言,主要测量其传导干扰。需要的测量仪器主要有E M I 测量接收机、线性阻 抗稳定网络( L I S N ) 、频谱分析仪以及各种电压电流探头等。由于传导干
16、扰从传播 方式上看可以分为共模干扰和差模干扰,二者的产生机理、传播路径都不一样, 因此在测试传导干扰时最主要的工作就是对共模干扰和差模干扰进行分离。差模 抑制网络 、射频电流探头、噪声分离网络f 】5 】是测试差模、共模干扰的三种方 法。差模抑制网络结构简单,差模干扰衰减很大,而对共模干扰的抑制能力很小, 所以该网络只适宜测量共模干扰。用射频电流探头测量差模、共模干扰方法简单, 但测量结果要经过较复杂的换算才能与标准限值进行比较。用噪声分离网络来测 量共模干扰和差模干扰是比较理想的,文献 1 5 利用寄生参数实现了阻抗匹配, 一6 一 压器的制作要求较 图1 8E M I 测试分类 1 2 5
17、 开关电源电磁干扰抑制技术 由于电磁干扰产生的三要素为干扰源、耦合途径、噪声接收器,因此抑制 电磁干扰可以从以下三方面考虑:削弱干扰源的能量,切断干扰的耦合途径以 及增强系统抗干扰能力。对开关电源E M I 抑制措施主要有P C B 的优化设计、 滤波、接地、屏蔽以及软开关技术的使用等。 P C B 优化设计 P C B 的优化设计是抑制电磁干扰最有效也是最经济的方法,主要的抑制技 术包括P C B 的布线,元器件布局和接地。在设计P C B 时,我们可以大致按照 以下原则来进行:1 ) 按照器件的功能和类型进行布局,对于功能相近的器件放 置在一个区域有利于减小布线长度;2 ) 按照电源类型进
18、行布局。按照不同电压, 不同电路类型分开布局,这样有利于分割,也有利于信号的回流和两种地平面 之间的稳定;3 ) 要考虑共地点的放置,遵循“一点接地“ 的原则,将一个导电 平面作为参考地,如果电路存在跨地信号,就可能导致信号无法回流,产生很 大的电磁干扰;4 ) 通路的导线应尽可能粗并且短。 无源滤波 利用E M I 滤波器是抑制E M I 最常用的方法之一,选择适当的滤波器结构 和元器件参数对抑制电磁干扰有较好的效果。差模干扰和共模干扰分别用差模 滤波元件和共模滤波元件进行衰减,这些滤波元件包括滤波电容C 和滤波电感 L 。如图1 9 为典型的E M I 滤波器结构,其中C x 表示差模电容
19、,用来抑制差模 E M I ,C Y 接地且成对出现作为共模电容,L l 是共模电感,即共模扼流圈,它 是由两个绕相相反,匝数相同的绕组构成,当市网工频电流流过其中一个绕组 一7 一 浙江大学硕士学位论文 时,便从另一个绕组中流出,这样产生的磁场抵消,对工频电流没有衰减作用。 但当电流中存在共模噪声时,由于共模噪声是同方向的,经过绕组时产生的磁 场相互叠加,对于共模噪声而言,共模电感具有较大的阻抗,这样就对共模干 扰产生抑制作用。实际上构成共模扼流圈的两个绕组的感值不可能完全相等, 恰巧它们的感值差可以作为差模电感,用来充当抑制差模干扰的滤波电感。在 设计共模扼流圈的过程中,巧妙地利用这个特点
20、,可以在不含差模滤波电感的 情况下就能有效的抑制差模E M I ,这样可以大大的节省E M I 滤波器的体积,降 低产品的成本。 l 。l 图1 9 典型E M I 滤波器结构 有源滤波 有源滤波通常是从噪声源采取措施来抑制共模干扰,其基本思想就是从主 电路中找到与原电磁干扰大小相等、方向相反的补偿E M I 噪声电压来平衡原来 的E M I 信号。有源滤波不仅可以滤除谐波,同时还可以动态补偿无功功率。它 反映动作迅速,滤除谐波可达到9 5 以上,补偿无功细致,这是无源滤波不能 达到的,但是价格较高。在实际应用中,通常将无源滤波器和有源滤波器相结 合,这样可以有效的减小滤波器的体积,并能达到更
21、好的E M I 抑制效果。 屏蔽 屏蔽技术既能使干扰源的干扰强度降低,同时又能减弱干扰源和被干扰电 路之间的耦合,它是实现电磁干扰防护最基本的手段之一。对于电场屏蔽而言, 金属屏蔽体必须完整,并且要有良好的接地。磁场屏蔽的主要目的是抑制直流 和低频交流磁场干扰源和被干扰电路的磁耦合,可以利用高磁导率材料的屏蔽 体进行屏蔽,也可以采用反向磁场抵消的方法实现屏蔽。在屏蔽过程中,要同 时屏蔽电场和磁场,这样才能更好的达到屏蔽的效果,有效的抑制电磁干扰。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 接地 选择良好的接地面不仅可以保障人身和系统安全,还可以很好地抑制E M I 。 电路的公共参考点与大地连接,电流必
22、须经过地线构成回路,因此在选择接地 点时要保证信号线与地线构成的回路具有最小的面积,还要保证接地系统的公 共阻抗很低,使通过公共阻抗产生的传导干扰最小。接地系统和屏蔽设计正确 结合可以解决大部分设备在现场运行时的E M I 问题。 软开关技术 由于半导体开关器件在导通和关断时产生高的d v d t 和d i d t ,这是开关电 源产生电磁干扰的最主要原因,因此软开关技术也是抑制E M I 行之有效的方 法。软开关技术就是在原来的电路上增加电容和电感等谐振元件,在开关过程 前后引入谐振过程,使开关开通前电压先降为零或关断前电流先降为零,这样 就可以大大降低电压和电流的变化率,进而减小了开关器件
23、带来的干扰f 1 6 1 。图 1 1 0 表示常见的软开关多谐振电路。 C r l 图1 1 0 软开关多谐振电路 除了上述介绍的抑制电磁干扰的方法外,在实际电路的电磁兼容设计中, 还有更多针对各电路所采用的不同的E M I 抑制技术。 1 3P C B 布局及优化的研究现状 P C B 的设计和布局对开关电源E M I 性能的影响有时比元器件的选择和电 路的设计所带来的影响更大,设计优良的P C B 是减小电磁干扰最经济的手段。 良好的P C B 布局对E M C 的设计起到至关重要的作用。在不改变电路结构和不 增加元器件的基础上,通过改变P C B 板上的元器件的位置和布线设计可以大大
24、削弱电磁干扰。 一9 一 浙江大学硕士学位论文 工程师和学术研究者逐渐意识到P C B 布局和设计的重要性,文献【1 7 】提出了 增加P C B 的宽度可以减小带有地平面的多层P C B 板的辐射干扰,但是只增加 P C B 的宽度而不改变其长度,辐射干扰减小甚微。文献 1 8 】提出了减小信号回路 和地平面的距离可以削弱P C B 板产生的辐射,同时还可以通过在P C B 板上放 置像平面使其与地平面的外围相连的方法减小辐射干扰。文献【1 9 】提出了通过对 准静态场的分析来辅助设计P C B 布局的方法,根据干扰电场的分布图来确定导 线的放置位置,依据耦合系数来不断调整导线的大小、方向以
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- 开关电源 PCB 布局 EMI 滤波器 设计
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