功率電子系統(tǒng)對于高頻的EMI的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從那些方面入手呢？本文將提供一寫參考：確認(rèn)有哪些噪聲源；分析噪聲源的特性；確認(rèn)噪聲源的傳遞路徑等。

 

功率電子系統(tǒng)對于高頻的EMI的設(shè)計(jì)：

A．確認(rèn)有哪些噪聲源；

 

B．分析噪聲源的特性；相關(guān)資料可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索作者名字下載或觀看；（我的理論：先分析再設(shè)計(jì)；了解噪聲源頭特性是關(guān)鍵）！

 

C．確認(rèn)噪聲源的傳遞路徑；這也是我們大多數(shù)工程師處理EMI－Issue時(shí)的著手點(diǎn)；（處理的手段和方法）；

 

EMI的耦合路徑：感性耦合；容性耦合；傳導(dǎo)耦合；輻射耦合！

 

處理功率電子系統(tǒng)EMI的噪聲源及噪聲特性分析：

 

1．功率電子高頻電磁干擾是由于電磁干擾噪聲源的梯形波頻譜造成的；

 

2．功率電子高頻電磁干擾在差模（DM）傳播路徑上的PFC電路中的PFC電感其阻抗由于磁芯選擇和繞線結(jié)構(gòu)會(huì)引起器件的多個(gè)諧振點(diǎn)！在諧振點(diǎn)的阻抗到達(dá)谷底對此頻段的插入損耗就不足，造成差模數(shù)據(jù)超標(biāo)；

 

3．功率電子高頻電磁干擾在共模噪聲傳播路徑上的高頻電磁干擾和共模（CM）噪聲傳播路徑上的寄生耦合（分布電容）相關(guān)；

 

4．功率電子高頻電磁干擾還可以由磁性元件（電感，變壓器等磁性元件）的寄生耦合（容性＆感性耦合）近場－電路板級的耦合引起的。

 

5．抑制功率電子高頻電磁干擾PCB－電路板布局布線設(shè)計(jì)就很關(guān)鍵了。

 

我的《開關(guān)電源：EMC的分析與設(shè)計(jì)》對于EMI－傳導(dǎo)的問題我有講插入EMI輸入濾波器的設(shè)計(jì)是最快速的方法；我后面再將細(xì)節(jié)分析。同時(shí)對于＞75w有PFC的功率電子PFC系統(tǒng)的EMI－輻射的問題；特別是客戶經(jīng)常碰到30MHZ－50MHZ的EMI－輻射的問題，我有提供設(shè)計(jì)方法參考；我再進(jìn)行設(shè)計(jì)分析；

 

對于功率電子系統(tǒng)我們先來了解梯形波的噪聲頻譜特性：如下圖所示；

 

 

圖中左邊是簡化的梯形波電壓／電流波形，其周期為TPERIOD，脈沖寬度為TW，脈沖上升／下降時(shí)間為TRISE／TFALL。圖中右邊我們從頻域來看此信號(hào)，其中含有基頻成分和很多高次諧波成分，通過傅里葉變換分析可以知道這些高頻成分的幅度和脈沖寬度、上升／下降時(shí)間之間的關(guān)系；其關(guān)系的表現(xiàn)結(jié)果如下：

 

 

通常EMI輻射問題常常發(fā)生在30MHz～300MHz頻段。通過增加上升和下降時(shí)間可將fR的位置向更低頻方向移動(dòng)，同時(shí)更高頻率信號(hào)的強(qiáng)度將以40dB／dec的速度快速降低，從而改善其輻射狀況。在低頻段，上升和下降速度所導(dǎo)致的改善是很有限的。

 

功率電子電路在AC輸入端增加PFC升壓電感電路其EMI－輻射測試數(shù)據(jù)超標(biāo)通常在30MHZ－50MHZ／其EMI－輻射的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析如下圖；

 

 

我先分析系統(tǒng)的騷擾源的情況：

差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)流過電源線的電流線性上升，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流突變?yōu)榱悖虼耍鬟^電源線的電流為高頻的三角脈動(dòng)電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低；

 

共模騷擾的產(chǎn)生主要原因是電源與大地（保護(hù)地）之間存在分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。建立簡單的等效天線模型進(jìn)行理論分析：

 

 

通過上面的等效天線模型進(jìn)行分析：我們要降低Rr的輻射功率在等效電路中加入Y電容是比較好的方法；參考如下：

 

 

我再將上述等效的Y電容進(jìn)行電路應(yīng)用原理圖設(shè)計(jì)＆重要分布參數(shù)的等效分析：

 

 

L、N為電源輸入，整流前級為輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，VT2為PFC開關(guān)管（功率電子器件MOS／IGBT／SiC等等），開關(guān)管安裝在散熱器上時(shí)，開關(guān)管的D極與散熱器相連，與散熱器之間形成一個(gè)耦合電容C7，VT2工作在開關(guān)狀態(tài)，其D極的電壓為高頻方波（梯形波），方波（梯形波）的頻率為開關(guān)管的開關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會(huì)通過耦合電容、L、N電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。

 

電源與大地的分布電容比較分散，其它的分布參數(shù)我先不作分析；

 

從原理設(shè)計(jì)圖來看，VT2的D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，從BD1到電感LB之間的電壓為100Hz，而從L3到VD1和VT2的D極之間的連線的電壓均為方波（梯形波）電壓，含有大量的高次諧波。其次LB的影響也比較大，但LB與機(jī)殼的距離比較遠(yuǎn)（器件布局要求），分布電容比開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容＝C7。

 

通過上面的理論：解決PFC的30MHZ－50MHZ輻射騷擾的問題方法如下：

 

增加一個(gè)高頻電容C8，接在開關(guān)管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開關(guān)管越近越好，該電容選用安規(guī)電容，容量在470PF到0．01μF之間，太大會(huì)使電源的漏電流超標(biāo)，經(jīng)過電容C7耦合到散熱器上的騷擾信號(hào)經(jīng)過C8衰減，衰減的系數(shù)為：

 

 

由于C8比C7大的多，上式可以簡化為：C7／C8

 

進(jìn)行理論計(jì)算：

 

注意：C7為 PFC開關(guān)MOS與散熱器的耦合電容；計(jì)算數(shù)據(jù)我們可以進(jìn)行估算：假設(shè)C7為30PF，C8為470PF，則向外發(fā)射的騷擾信號(hào)被衰減了15．7倍，近25dB。

 

實(shí)際應(yīng)用與理論測試一致；已指導(dǎo)工程師朋友們解決了很多的實(shí)際問題！

 

對于功率電子其有相對較大的功率EMI－傳導(dǎo)的設(shè)計(jì)《開關(guān)電源：EMC的分析與設(shè)計(jì)》對于EMI－傳導(dǎo)的問題我有講插入EMI輸入濾波器的設(shè)計(jì)是最快速的方法；其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)相關(guān)資料可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索作者名字下載或觀看；我將容易出現(xiàn)困惑的地方及細(xì)節(jié)進(jìn)行分析；

 

我通過一個(gè)實(shí)際的變頻空調(diào)的例子進(jìn)行分析，如下是使用2級共模濾波器結(jié)構(gòu)的帶有PFC設(shè)計(jì)的大功率的傳導(dǎo)EMI的測試數(shù)據(jù)：

 

 

我們來分析10MHZ左右的包絡(luò)；變頻空調(diào)的系統(tǒng)在2KW左右，其系統(tǒng)有PFC電路設(shè)計(jì)；對于傳導(dǎo)的問題，我的開關(guān)電源－PFC進(jìn)行高效設(shè)計(jì)解決高頻傳導(dǎo)設(shè)計(jì)：對于超標(biāo)的整改通過Y的設(shè)計(jì)優(yōu)化就能解決問題！

 

 

那么超標(biāo)處的理論機(jī)理是怎樣的？通過理論與實(shí)際深層次進(jìn)行機(jī)理分析如下；

 

 

從圖示中；我們實(shí)際產(chǎn)品在地線的連接時(shí)，過長的地線就會(huì)存在電感Lgnd；在功率電子開關(guān)其回路中的寄生電容我用Cc來進(jìn)行等效；那么電路的共模回路中就增加一個(gè)L，C諧振的狀態(tài)，其振蕩頻率用f標(biāo)示怎諧振頻率為：

 

 

超標(biāo)的尖峰包絡(luò)基本是跟這個(gè)諧振頻率相關(guān)；我將模擬測試數(shù)據(jù)提供參考：

 

 

黑色曲線數(shù)據(jù)是去除共模濾波器的測試數(shù)據(jù)；紅色曲線數(shù)據(jù)是插入共模電感Y電容的2級濾波器測試數(shù)據(jù)；很明顯共?；芈返腖C諧振產(chǎn)生了高頻尖峰，同時(shí)共模電感的阻抗在10MHZ左右衰減也很大（即阻抗減?。垂材V波器對＞10MHZ的插入損耗低；大的諧振能量就會(huì)造成高的高頻尖峰，不適合的設(shè)計(jì)就更難處理該頻點(diǎn)的EMI問題了！

 

因此處理措施方法就會(huì)清晰，阿杜的老師的理論：先分析再設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)性價(jià)比最優(yōu)化原則！

 

對于功率電子的EMI傳導(dǎo)我經(jīng)常讓設(shè)計(jì)工程師調(diào)整系統(tǒng)Y電容的位置也非常有效－特別是有2級共模電感＆2級Y電容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)我將原理進(jìn)行分析；如下圖：

 

 

在圖示的兩級共模濾波器的結(jié)構(gòu)中，Y電容的走線或連接線不合適的連接方式及接地位置不同時(shí)時(shí)，兩根線之間就會(huì)存在互感M，大的互感能量就會(huì)將噪聲源耦合到LISEN網(wǎng)絡(luò)造成EMI的數(shù)據(jù)超標(biāo)－出現(xiàn)高頻的尖峰；模擬測試數(shù)據(jù)參考如下：

 

 

如圖所示紅色曲線數(shù)據(jù)顯示的高頻尖峰EMI噪聲；通過改善輸入濾波器的Y電容的接地點(diǎn)的位置，增加前后兩個(gè)Y 電容地走線的平行距離再連接到機(jī)殼或公共地；從而可減小共模環(huán)路的相互耦合強(qiáng)度；通過選擇合適的接地點(diǎn)就能搞定高頻的尖峰EMI傳導(dǎo)的設(shè)計(jì)！如圖中的綠色曲線的模擬測試數(shù)據(jù)，功率電子系統(tǒng)就能通過EMI設(shè)計(jì)。

 

通過上面的中大功率的帶PFC系統(tǒng)的EMI的分析和設(shè)計(jì)，任何復(fù)雜的EMI問題；我都可以通過電子設(shè)計(jì)師的EMI測試曲線找到問題的根源；大家可以在網(wǎng)絡(luò)上搜索本作者：查詢我的文章我們通過EMI的測試曲線數(shù)據(jù)分析解決EMI的問題！

 

任何的EMC及電子電路的可靠性設(shè)計(jì)疑難雜癥；先分析再設(shè)計(jì)才是高性價(jià)比的設(shè)計(jì)！

 

實(shí)際應(yīng)用中電子產(chǎn)品的EMC涉及面比較廣；我的系統(tǒng)理論及課程再對電子設(shè)計(jì)師遇到的實(shí)際問題 進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)分析！先分析再設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)性價(jià)比最優(yōu)化原則！