開關電源PCB的EMC優化方案

開關變換器噪聲的干擾路徑為干擾源和被干擾設備的耦合提供了條件，對其共模干擾和差模干擾的研究尤為重要。 主要分析了電路主要部件的高頻模型，共模和差模噪聲的電路模型，為開關電源PCB的EMC優化設計提供了有益的援助。

開關電源的共模干擾和差模干擾對電路的影響不同。 通常，低頻差模噪聲占主導地位，而高頻共模噪聲則占主導地位。 共模電流的輻射效應通常大于差模電流的輻射效應。 因此，輻射效應要大得多。 區分電源中的差模干擾和共模干擾。
為了區分差模干擾和共模干擾，我們首先需要研究開關電源的基本耦合模式。 在此基礎上，我們可以建站差模噪聲電流和共模噪聲電流的電路路徑。 開關電源的傳導耦合主要包含：
導電耦合，電容耦合，電感耦合以及這些耦合方法的混合。
1共模和差模噪聲路徑模型
開關電源的形成是由于存在于高頻變壓器的初級繞組和次級繞組之間的耦合電容CW，存在于功率管和散熱器之間的雜散電容CK以及功率管本身的寄生參數 并由于相互耦合而產生印刷線路。 互感，自感，互感，自感，阻抗和其他寄生參數構成共模噪聲和差模噪聲路徑，從而形成共模和差模傳導干擾。 在對功率開關器件，變壓器和印刷電路的電阻，電感和電容的寄生參數模型進行分析的基礎上，可以獲得轉換器的噪聲電流路徑模型。
2主電路元件的高頻模型
電源開關管的內部寄生電感和電容會影響電路的高頻性能。 這些電容器使高頻干擾泄漏電流流到金屬基板，并且在功率管和散熱器之間存在雜散電容CK。 出于安全原因，散熱器通常接地，這提供了共模噪聲路徑。
當PWM轉換器工作時，隨著開關設備的工作，它也會相應地產生共模噪聲。 如圖1所示，對于半橋轉換器，開關Q1的漏極電壓始終為U1，并且隨著開關狀態的變化，源極電勢從0變為U1 / 2。 Q2的源極電勢始終為0，漏極電勢在0至U1 / 2之間變化。 為了保持開關管和散熱器之間的良好接觸，通常在開關管的底部和散熱器之間添加絕緣墊片，或者使用導熱性好的絕緣硅膠。 這導致在點A和地之間的并聯耦合電容器CK。 當開關管Q1和Q2的狀態改變時，使得在點A處的電勢改變，如圖12所示，在CK上產生噪聲電流Ick。 2.該電流從散熱器流到機箱，然后流到機箱。 即，接地線和主電源線具有耦合阻抗，從而形成圖1中的虛線所示的共模噪聲路徑。 2.因此，共模噪聲電流在地線和主電源線的耦合阻抗Z上產生電壓降，從而形成共模噪聲。

圖1半橋轉換器示意圖

圖2由開關管對地的電容形成的共模電流環路
隔離變壓器是一種廣泛使用的電力線干擾抑制措施。 它的基本功能是實現電路之間的電氣隔離，并解決由接地環路引起的設備之間的相互干擾。 對于理想的變壓器，它只能傳輸差模電流，而不能傳輸共模電流。 這是因為對于共模電流，理想變壓器的兩個端子之間具有相同的電勢，因此它無法在繞組上產生磁場。 沒有共模電流路徑，該路徑在抑制共模噪聲中起作用。
實際的隔離變壓器在初級側和次級側之間具有耦合電容器CW。 耦合電容器是由變壓器繞組之間存在非電介質和物理間隙引起的，該間隙為共模電流提供了路徑。
如圖2所示，點A是電路中電壓變化大的區域，也是噪聲大的區域。 通過電路的高頻開關，此時的高頻電壓將通過變壓器初級和次級之間的分布電容Cps，電源線對地的阻抗以及次級印刷線的阻抗 。 變壓器，電感器，電容器等，并形成變壓器的共模噪聲路徑。
共隔離變壓器對共模噪聲有肯定的抑制作用，但由于繞組之間電容的分布，其對共模干擾的抑制作用隨頻率的增加而減小。 共隔離變壓器對共模干擾的抑制效果可以通過設備的初級和次級之間的分布電容和設備對地面的分布電容之比來估算。 通常，初級和次級之間的分布電容為幾百pF，設備對地的分布電容為幾nF至數十nF，因此共模干擾的衰減值約為10到20倍，即 20至30dB。 為了提高隔離變壓器抑制共模噪聲的能力，關鍵是要具有較小的耦合電容。 因此，可以在變壓器的初級和次級之間添加屏蔽層。 屏蔽層對變壓器的能量傳輸沒有不利影響，但是會影響繞組之間的耦合電容。 除了抑制共模干擾，帶屏蔽層的隔離變壓器還可以通過使用屏蔽層來抑制差模干擾。 具體方法是將變壓器屏蔽層連接到初級零線端子。 對于50 Hz的工頻信號，由于由初級和屏蔽層形成的高容抗，它仍可以通過變壓器效應傳輸到次級而不會衰減。 對于具有較高頻率的差模干擾，由于初級和屏蔽之間的電容電抗變小，這部分干擾將通過分布的電容以及屏蔽和初級中性點之間的連接直接返回到電網。 將不會進入次級電路。
因此，對變壓器的高頻，非常是變壓器的許多寄生參數（例如漏感，一次側和二次側之間的分布電容）進行建模特別重要，這將對共模水平產生重大影響 電磁干擾 必須考慮。 實際上，您可以使用阻抗測量設備來測量變壓器的主要參數，以獲得這些參數并進行仿真分析。

半橋電路中的直流電解電容器Cin具有對應的串聯等效電感ESL和串聯等效電阻。 這兩個參數也影響電路的高頻性能。 通常，ESL約為數十nH。 在實際分析中，可以使用高頻阻抗分析儀來測量無源元件的高頻等效寄生參數，例如電阻，電感和電容器，并且可以從電路模型中獲得功率器件的高頻模型。 圖書館。 仿真軟件。
對電路的高頻噪聲影響更大的另一個因素是印刷電路板上印刷線（帶狀線）的相互耦合。 當導體附近的信號承載點附近出現高幅值的瞬態電流或快速上升的電壓時，可能會出現干擾問題。 印刷導體的耦合通常以電路和導體的互電容和互感為特征。 電容耦合感應出耦合電流，而電感耦合感應出耦合電壓。 PCB層的參數，信號線的布線以及它們之間的間距都會影響這些參數。
建站印刷電路板走線的高頻模型和提取走線之間的寄生參數的主要困難是確定印刷電路板走線的每單位長度的電容和每單位長度的電感。 通常，有三種方法可以確定電感和電容矩陣的組成：
（1）有限差分法（FDM）； （2）有限元法（FEM）； （3）動量法（MOM）。
正確確定單位長度矩陣后，可通過多導體傳輸線或部分元件等效電路（PEE C）理論獲得印刷電路板走線的高頻仿真模型。 Cadence軟件是功能強大的EDA軟件。 它的SpecctraQuest工具可以在PCB上執行信號完整性和電磁兼容性分析。 它也可以用于印刷電路板走線的高頻建模，以實現給定的PCB結構。 執行參數提取并生成一個寄生參數矩陣，例如任何形狀的印刷導線的電感，電容和電阻，然后使用PEEC理論進行EMC仿真分析。
3共模和差模噪聲的電路模型
通常，電路中同時存在共模干擾和差模干擾。 電源的任何相線和地面之間都存在共模干擾，并且相線和相線之間存在差模干擾。 法國格勒諾布爾電氣技術實驗室的Teuling，Schnaen和Roudet根據由MOSFET組成的400W斬波電路的實驗模型進行的研究表明，低頻時差模式干擾占主導地位。 在高頻下，共模干擾占主導地位，這表明開關電源的差模和共模干擾對電路的影響不同。 另一方面，線路寄生參數對差模和共模干擾的影響也不同，這是因為在長距離傳輸后，線路和線路不同的接地阻抗之間的阻抗會導致差分模式重量的衰減 大于共模衰減。 因此，為了解決開關電源的傳導噪聲問題，必須首先區分共模干擾和差模干擾。 這要求建站共模和差模噪聲路徑，然后分別進行仿真和分析。 。 這種方法對我們發覺電磁干擾特別方便，問題的根本原因很簡單解決。
在工程中，您可以使用電流探頭來確定電源是處于共模還是差模。 探頭首先分別圍繞每根導線以獲得單根導線的電感； 然后將其圍繞兩根導線以檢測其電感。 當電感值增加時，線路中的干擾電流為共模，否則為差模。 在理論分析中，對于不同的系統，有必要建站其共模和差模噪聲電流模型。 根據以上分析，考慮功率器件的高頻模型和印刷電路之間的耦合，我們得到了半橋QRC轉換器的共模和差模干擾電路模型，如圖3所示。 圖片中的LISN（線路阻抗穩定網絡）是EMC規定的線性阻抗固定網絡。 因為50 Hz工頻信號LISN的電感顯示為低阻抗，而電容器則顯示為高阻抗，所以工頻信號LISN基本上沒有衰減，電源可以通過交流電發送到半橋轉換器。 LISN。 對于高頻噪聲，LISN的電感表現為大阻抗，并且電容器可以視為短路。 因此，LISN可以預防高頻噪聲在被測設備和電網之間傳輸。 因此，LISN充當共模和差模干擾。 電流在要測量的頻帶（通常為100KHz?30MHz）中提供固定的阻抗（50ohm）。

圖3半橋QR C轉換器的噪聲模型
在上圖中，共模噪聲電流從兩組LISN開始，流經電路開關器件，變壓器，PCB印刷導體，次級電路，然后返回LISN，以形成共模噪聲電流環路。 差模噪聲電流在兩組LISN，印刷導體，開關設備和變壓器之間形成環路。 共模噪聲和差模噪聲可以分別從兩組LISN電阻的電壓差的一半或一半的總和中獲得。
這是：

開關電源PCB EMC設計優化
使用相同的方法，很簡單獲得其他拓撲的導電干擾電路模型。

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