工业电源EMI设计指导书10Word格式.docx
《工业电源EMI设计指导书10Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业电源EMI设计指导书10Word格式.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
5.1屏蔽设计10
5.2接地设计10
5.2.1信号接地设计10
5.2.2电缆屏蔽层接地设计11
5.2.3保护地设计11
5.3接口设计12
5.3.1接口信号设计以及连接器选择12
5.3.2连接器针脚分配原则12
5.3.3功率接口信号处理原则12
5.3.4控制接口信号处理原则13
5.4电缆设计13
5.5框图设计及拓扑选择13
6EMI详细设计14
6.1输入滤波器14
6.1.1常用滤波器介绍14
6.1.2滤波器结构及其使用的器件对性能的影响15
6.1.3输入滤波器设计小结16
6.2PFC及DC/DC16
6.2.1吸收电路EMI设计16
6.2.2开关频率的选择16
6.2.3DC/DC的变频设计17
6.3输出滤波17
6.4Y电容位置及数量设计19
6.5散热器及其连接方式设计20
6.6输出接地问题20
6.7EMI的一致性设计21
6.8谐振的控制21
7器件的EMI设计23
7.1变压器设计23
7.2电感器设计24
7.2.1功率滤波电感24
7.2.2EMI滤波电感24
7.3开关管选择与设计24
7.4安规电容选择25
7.5IC器件选择25
8PCB的EMI设计26
8.1PCB的EMI设计原则26
8.2功率板PCB的布局设计26
8.3功率板PCB的走线设计27
8.3.1XY电容的走线设计27
8.3.2滤波器的走线设计27
8.3.3开关回路的PCB走线设计27
8.4控制板PCB设计28
9单板电源的EMI设计29
9.1单板电源EMI设计概述29
9.2单板电源EMI设计原则29
摘要
EMI设计是一个系统的工作，不是仅仅把某一个方面做好就可以达到EMI要求的，只要有一个地方没有做好可能就足以导致EMI超标。
因此，重视EMI设计是搞好EMI设计的必要条件。
该指导书内容总结了工业电源EMI方面的经验，对模块的输入传导、辐射等设计方法作详细的说明。
关键词
CE：
ConductedEmission（传导发射）
RE：
RadiatedEmission（辐射发射）
1来源
该指导书中的设计规则来源于HD4805、220V新15A、110V新15A、3802C、3601C、PWX225、NEPS1200、GSM3.0DCDC等模块或系统的测试和优化。
2基本的噪声理论
2.1噪声源
噪声源指造成模块EMI的源头。
工业电源产品中主要有DCDC开关管、PFC开关管、辅助电源开关管以及一些功率磁性元件、单片机晶振（主要影响引出的信号线）。
根据以往的经验，最厉害的噪声一般来自DCDC副边的整流和续流二极管。
噪声的流动在模块内部及外部都是系统的，须要综合原副边、各个隔离的单元电路、周围环境等综合分析，分析噪声的流动不能仅仅把眼光集中在片面的小范围内。
这一点一定要牢记：
要从系统的角度全面地分析。
噪声通常分为差模噪声和共模噪声，下面分别说明。
2.1.1差模噪声源
差模噪声主要由较大的di/dt造成的，如大电流开关回路大电流快速切换时，桥式整流电路充电截止时等。
大电流切换往往伴随较大的电压尖峰（不仅仅指开关管两端的，还包括一段走线两端的），该电压尖峰是差模噪声大小的直接表现形式，电压尖峰越大则一般差模噪声越大。
因此，①减小引线、走线的寄生电感以减小大电流切换时的感应噪声电压；
②减慢开关的速度；
③在合适的位置（如一段走线的两侧）加上去耦电容等措施可以减小差模噪声。
2.1.2共模噪声源
共模噪声主要由较大的dv/dt形成的，由于工作信号的铜皮不可避免的与保护地（如机壳或者一块铜皮）存在分布电容，当工作信号的一块面积（铜皮、器件体等）存在较大的电压波动（如开关切换）时就会在保护地上感应出相同频率的电流，从而形成共模噪声。
因此，①减小分布电容（减小面积或者增大距离）；
②减慢开关的速度，减小dv/dt等措施可以减小共模噪声。
2.1.3差模与共模噪声的互相转换
在一定条件下差模噪声和共模噪声会互相转换。
共模滤波回路的阻抗不对称（Y电容不对称或者两根功率线上的感抗不相同）将会使共模噪声转换成差模噪声；
差模滤波回路相对的不平衡也会导致差模噪声转换成共模噪声。
因此，在原理图设计和PCB设计时就应该尽可能保持滤波回路尤其是输入、输出滤波器的对称性，以避免各种噪声互相转换，尽量使噪声简单、单一。
2.1.4电源模块的主要噪声源
不管是传导还是辐射，EMI均主要来自dv/dt（尖峰）或di/dt（尖峰或谐振峰）达V/ns或A/ns的地方，而不是开关频率的dv/dt或di/dt。
电压尖峰必然伴随电流尖峰，电流尖峰也必然伴随电压尖峰，共模噪声往往和差模噪声同时产生。
电源的主要的噪声源有PFC开关管、PFC二极管、DC/DC开关管、DC/DC二极管、功率磁性元件等，最厉害的噪声一般都来自DC/DC的整流或续流二极管。
2.2噪声流出模块的路径
2.2.1传导
传导噪声流出模块的路径主要有以下几种（按照危害大小从小到大列举）：
①从噪声源直接通过走线和器件流出；
②噪声经过一次或多次耦合（感性的或容性的）或转换（共模与差模之间）从输入滤波器内侧流出；
③保护地线连接不好，产生地噪声（这在电源系统中危害较大）；
④噪声直接耦合到传导测试端口并流出模块（如输入输出相距太近产生耦合构成回路造成EMI较大，再如功率磁性元件距离端口太近造成EMI较大，这种情况一旦发生则很难解决，因此，要特别注意）。
2.2.2辐射
辐射噪声流出模块的路径主要有以下几种（按照危害大小从小到大列举）：
①噪声形成场并通过不完善的屏蔽泄漏出模块；
②噪声形成场耦合到模块的各个端口并从模块引出线辐射出去；
③从噪声源经过走线和器件传到模块的各个引出线上并从引出线出去。
辐射测试中模块的引出线是工业电源模块造成辐射的主要原因，在设计时应该尽可能地减少模块的引出线，必须引出的，能短则短，能细则细。
2.3滤波的基本原理
对EMI，不管是差模噪声还是共模噪声，滤波均主要有两种方法，一是使用LC，加大噪声流出的阻抗，对噪声进行衰减；
二是只使用高频电容，给噪声提供低阻抗回路并在一定程度上短路噪声；
上述两者滤波措施均可以使流出模块的噪声减小到可以忍受的范围。
使用LC滤波是在噪声路径上设置高阻抗，阻止噪声的流动，使噪声无法外流；
只加Y电容的滤波正好相反；
这两种方法一个“堵”，另一个“导”。
在实际使用中这两种方法通常需要配合使用，不希望噪声到达的地方则“堵”，否则就引“导”噪声在内部进行消耗；
通常在噪声流出的路径上先“导”后“堵”。
只加Y电容滤波时须要注意，如果Y电容位置不好，如加在噪声源上，则会减小噪声源内阻，从而加强噪声。
3.1参照的标准及测试注意点
工业电源产品EMI主要按照EN55022、FCCPART15和EN300386的相关要求进行测试，其测试频率的范围与限值均基本相同，但也有不完全相同的特殊要求。
在设计指定模块的EMI之前，一定要搞清楚具体的测试方法，测试方法对模块的EMI设计影响较大，按照以往经验，主要注意以下几点：
Ø
是否有信号线需要抛出模块进行EMI测试？
EN55022、FCCPART15和EN300386均规定需要模拟模块实际工作时的状态测试EMI，那么当仅测试单模块时，就要让信号端口全部工作，这样就需要把信号线外接并接上匹配终端进行EMI测试。
是否需要测试输出传导？
仅EN300386要求须测试模块的输出传导。
EMI测试时是否需要把输出地或DC/DC模块的输入正接到保护地上？
这与模块的实际使用及规格书相关说明有关。
3.2概念的理解
这里先说明一下DB概念的理解。
传导测试的是电压，按照[20Lg×
（噪声电压/1uV）]得到DBuV这个单位；
辐射测试的是场强，按照[20Lg×
（噪声场强/（1uV/m））]得到DBuV/m这个单位。
以传导为例，列举电压与传导噪声的关系如下：
噪声电压（uV）
传导测试值（DBuV）
10
20
26.02
40
32.04
80
38.04
100
由上表可见，在传导测试时把噪声每减小6DBuV，就把噪声减小到原来的一半，辐射测试也存在这样的关系。
还有一个噪声叠加的问题。
模块内部的各种噪声来到模块外部不是算术相加，而是矢量叠加，这就是说，如果两个或者多个噪声源产生的噪声都在某个频率点较大，EMI测试设备只能测试到其中最强的那个噪声，这意味着，只有所有相关的噪声源均被搞定之后该频率点才会小下来，否则会小的不明显或一点不变。
据此原理，在EMI调测中采取过的措施就算暂时没有效果也不可以去掉，只能等搞定之后一个一个去掉，确认确实没用的措施。
4EMI设计的一些原则
1）要树立综合设计的观念，在功能设计的同时关注EMI的设计。
EMI的影响因素极多，无论是传导，还是辐射，都要全面地考虑。
器件的选择与设计、单元电路以及电路拓扑的选择、开关频率的选择、PCB布局、PCB走线、机壳设计、插接件选择、电缆设计等等都对EMI特性有直接的影响。
2）EMI的设计必须优化。
EMI的设计必然是针对性的，即使相同的电路，布局、走线等方面的不同也会引起噪声阻抗的不同，从而导致EMI最终测试结果的不同。
因此借鉴的电路、器件必须进行优化才能达到最优。
所以，EMI设计必须先借鉴，后优化，这一点对成本和空间优化都是必要的。
3）EMI需要根据标准设计。
不同的标准对EMI的要求并不相同，例如EN55022与EN300386的要求并不完全相同。
因此设计、测试、优化前必须根据设计规格要求的标准进行。
4）越早越好原则。
对特定的电源，EMI设计考虑的越早，越可以规避一些EMI设计上的明显的错误或者尽可能地减小EMI超标的风险；
EMI设计考虑的越晚，付出的代价将会越高。
5）折衷原则。
EMI设计要考虑与功能设计的配合，不要单纯为了EMI而改变现有的成熟的局部功能设计，当两者发生冲突时，首先考虑功能设计；
EMI设计要兼顾成本、空间等模块敏感因素。
6）在原理图设计上尽量不对EMI做主动设计。
尽量不要只为了抑制EMI而加很多器件，工业电源的新产品只需要借鉴相似的老产品的滤波器、Y电容及局部滤波电路即可。
通过细心地设计屏蔽、电缆、PCB等可以使模块的EMI达到满意的效果。
7）模块与系统的EMI要同步设计、综合考虑。
8）设计的顺序应该是：
元器件→局部功能单元→模块（系统）。
9）电源模块EMI设计的最终目的是实现最终系统（用户机柜）的电磁兼容。
5电源模块抑制EMI的总体设计
5.1屏蔽设计
这里的屏蔽是指使用接保护地且导电良好的金属外壳实现对模块电场和高频磁场的屏蔽。
对模块内部的局部电路进行屏蔽对模块的EMI确实有很好的抑制效果，但是局部屏蔽本身需要模块在空间和成本上可以承受，因此，局部屏蔽是否采用需要通过试验的结果综合实际情况决定。
整机屏蔽是整流模块首要考虑的，只要有可能，就给模块一个尽可能密闭的金属外壳。
由于引线、端子等的存在，金属外壳不可避免地会存在开槽或打洞，屏蔽不佳情况主要出现在：
（1）机壳缝隙；
（2）连接器处屏蔽不好；
（3）风扇处有空隙；
（4）显示板等处开孔；
（5）通风孔。
根据这些情况，设计模块外壳时要注意以下几点：
1）模块外壳要尽量避免开较长的缝隙（缝隙越长，泄露越厉害），避免不了的，就尽量减小其长度；
内部电磁场垂直缝隙时，该缝隙造成的泄漏最大，设计时可以按照该理论实际分析一下；
2）要确保不要有设计不好带来的较长的机壳缝隙，安装的两块金属外壳不要正交，可以将其中一块在结合处打弯与另一块平行来提高屏蔽效果；
3）插座处如有较大开孔，在PCB设计时要让强噪声器件（如变压器、开关管等）或强噪声回路距离开孔越远越好；
其他存在较长缝隙的地方也应照此处理或参考“1）”；
4）如果模块须要用风扇来加强散热，风扇首先考虑放在金属机壳内部（模块的其他部件也采取该原则）；
如果一定要放在金属机壳外部，则须注意风扇引线的滤波措施；
5）通风孔首先考虑开直径5mm的小圆孔（在同样面积的情况下，孔比缝泄露要小）；
如一定要开长孔则注意使开孔尽量遵循“1）”和“3）”中的规则；
6）金属机壳分散的部件（如上盖和底壳）电连接一定要好；
7）要尽量减少从金属机壳内部引出的导线的数目，除非必须引出（如输入、输出线），否则，在设计阶段就想办法避免引出；
所有引出金属机壳的引线都必须经过一定的滤波（且该滤波措施要尽可能靠近引出机壳的引出点——即端口）之后才可以引出机壳；
8）如有其他情况，可参考上述几个情况进行分析并采取措施。
5.2接地设计
5.2.1信号接地设计
接地方法
优点
缺点
适用场合
单点接地
信号地线串连接在一个点
简单、方便、易行
各部分地线电流会通过公共阻抗产生传导耦合
要求不高、各级电平悬殊不大的场合（工作频率小于1MHz）
信号地线并联接在一个点
无公共地线耦合问题
1、多了很多地线
2、频率高地线阻抗大
1、地线较短且工作频率较低
2、地线长度的20倍小于波长
多点地网或地平面接地
以一层PCB作为地平面
每个需要接地的器件都能短捷地就地接地，接地效果很好
需多层PCB，成本高
1、高频数字电路（大于10MHz）
2、信号层放中间
在某层中走栅格作为地平面
成本低（双层PCB即可），栅格中可以放器件、走线等
接地效果要差一点
1、栅格要尽量粗
2、栅格间距控制在2cm以内
多点接地（地线带）
简单易行
效果不好
适用于要求不高的场合
混合信号地
串并联接地组成的混合低频信号接地
可以有效避免系统各部分互相干扰
适用于低频复杂系统（有小信号、强信号、脉动信号等）
单点与多点高低频混合接地
用于高低频混合系统（兼顾低频单点接地，高频多点接地）
浮空信号地
使用方便
1、Y电容必须非常小或者没有
2、主变压器要采取措施减小原副边的分布电容
3、绝缘材料有要求
1、用于直流或者低频
2、功率低、电压小
3、低频共模抑制比大
5.2.2电缆屏蔽层接地设计
分类
不同情况
采取措施
说明
低电平
低频信号
信号源浮空
放大器接地
双芯屏蔽电缆屏蔽层应该仅与放大器的接地点相连
信号源接地
放大器浮空
双芯屏蔽电缆屏蔽层应该仅与信号源的接地点相连
双芯屏蔽电缆屏蔽层应该在两端分别与信号源和放大器接地点连接
需要隔离两个接地点
高频信号
不管信号源或者放大器接地或者不接地
1、使用同轴电缆（固定特征阻抗）
2、任一端接地则接地
3、屏蔽层尽可能多的点接地
使用外屏蔽层作为信号的返流地线
高电平、功率输出部分
1、屏蔽体应接噪声地
2、低频：
屏蔽的多芯电缆
3、高频：
同轴电缆
4、负载接地则屏蔽层接地，否则不接地
输出电缆低频杂散磁场要求严格时，可用铁管给输出电缆再加一层屏蔽
5.2.3保护地设计
1）电源模块：
保护地应汇接于一点，且模块的保护地应从该点连接至大地；
如是有机壳的电源，所有Y电容直接就近与机壳相连。
如是单板电源，所有Y电容则应通过尽可能宽的PE铜皮汇接于一点；
如果PE铜皮既窄又长，可能与Y电容产生谐振，因此，应尽力避免既窄又长的PE线，如无法避免，可以留到EMI调测中注意。
2）电源系统：
要尽可能使各个模块PE线汇接于一点，输入的PE线直接与该点连接，系统机框可与模块PE点多点连接（与模块的接地其实有相通之处）；
要注意一些潜在的PE连接点，如模块机壳与系统机框的接触、模块固定螺钉的连接作用等。
3）模块与系统之间：
须靠插接件等可以确保可靠连接的器件来连接，不能借助机壳的接触或紧固螺钉的螺纹来保证连接。
4）其他结构件之间：
尽可能利用接触面的紧密接触来提供可靠连接，尽可能不依靠螺纹来提供连接。
5.3接口设计
5.3.1接口信号设计以及连接器选择
工业电源产品很多都是客户定制产品，有时没有选择连接器型号和定义连接器接口的自由，在这种情况下，只能根据客户的需求来设计。
当我们有选择的余地时，则应遵循下列原则来进行设计：
◆在满足要求的情况下保留尽可能少的对外接口（这须要设计方案的支持），以尽可能减少可能的EMI；
对外接口中尽量不要有高频信号，尤其是dv/dt很大的信号，应该尽量设计成稳态的对外接口信号；
对外信号接口的控制信号必须为同一隔离的网络内的信号，不应该在连接器上还需要隔离。
◆连接器尽量选择工业电源已经用过的可靠且廉价的连接器件（选择比较高级的连接器，如带屏蔽功能等，从成本考虑是不太可能的，从EMI性能考虑，也没有必要）；
5.3.2连接器针脚分配原则
◆如果一个连接器上面同时有功率输入和功率输出信号，必须使输入端子和输出端子金属部分的最近距离保持30mm（这是估计距离，此距离越大越好）以上；
同时在模块内部及系统背板上的走线也须使原副边保持30mm以上的距离；
◆如果一个连接器上面同时有功率输入和功率输出信号，最好把输入与输出之间设计成保护地，这样，便于设计铜皮把输入输出隔离；
◆除了与保护地之间的距离越近越好外，信号线与输入线或输出线的距离均须保持10mm（这是估计距离，此距离越大越好）以上，同时在模块内部及系统背板上的走线也须使该距离保持10mm以上的距离；
5.3.3功率接口信号处理原则
◆所有功率线均须经过适当的滤波才可以引出模块，且所有滤波措施均须尽可能靠近连接器的相应端子；
◆不应从已经经过滤波的端口直接引线到模块内部的其他地方，也不宜从内部某个地方引线至已经经过滤波的端口附近；
如有，则该线极有可能是噪声的源头，使滤波失效，要使每个端口出去的线来源干净。
◆所有引出线应按照输入线、输出线、信号线在PCB上有明显的区域划分，不应出现你中有我、我中有你的现象；
◆功率变压器、电感器、大的脉动电流环及功率开关管等强噪声源必须距离端口引线70mm以上，距离端口引线的滤波部分25mm以上；
◆由于高频电容抑制辐射的效果最佳（相比共模电感），因此，尽可能在所有输出端口（最靠近端口的地方）加102的Y电容。
◆由于PE线完全可以成为噪声源，因此，可以给PE线加一个大一点的磁珠（由于感量很小，这不会影响雷击）。
5.3.4控制接口信号处理原则
按照相关标准的要求，所有模块的信号线在EMI测试中均应该让其正常工作，这样，就须要把所有信号线外接（抛出）并接上相应的终端。
如果这些信号线不采取相关措施，一般都会造成RE超标，因此，在EMI设计中对其进行专门的设计是必须的。
按照一些电源的已有经验，参照如下原则可以达到较满意的效果：
◆只要原理上容许（加了滤波不会影响其性能），所有信号线应经过从外向内的RC滤波（信号电源线加LC滤波），参考值：
R＝100欧，C＝0.1u。
◆引入、引出线的源头均须远离强噪声区域和噪声敏感区域（易受干扰的地方）。
◆划分区域，所有信号线采取与信号处理部分分别铺地，然后单点连接，实现从内向外较大的射频阻抗从而减小辐射的作用。
◆如有均流线或通讯线，推荐加小共模电感（磁环）的做法，这样不但RE会减小，而且均流效果也会更好；
该共模电感须尽可能靠近端口。
◆一般信号线，可以采用在端口加102的Y电容的做法（这可能会加的较多）。
◆不管是哪一类信号线，至少采取下列三种措施中的一种：
①加RC；
②加共模电感；
③加102Y电容，并且至少有一种措施在连接器针脚5mm以内；
如果多种措施并用，并且包括②，则②必须在最外侧；
如果多种措施并用，并且不包括②，但是包括③，则③必须在最外侧。
5.4电缆设计
工业电源模块的电缆主要在模块内部，用于内部信号的连接。
电缆的设计只要参考以下一些原则：
1）模块内部电缆应尽可能不要穿过模块金属机壳到模块外部，如果必须引出模块金属机壳，则须做相应的抑制EMI的处理（如加Y电容或共模电感等）。
2）电缆在模块内部尽可能不要经过强噪声区域，如功率变压器顶部、大脉动电流环上方等；
3）电缆尽可能不要与缝隙，尤其是较长的缝隙平行。
5.5框图设计及拓扑选择
EMI设计不应影响到电路框图设计及拓扑选择，电路框图的设计及拓扑的选择主要依据实际要求和已有的成熟电路。
但是在设计整个电源模块的电路框图及拓扑时须考虑借鉴这些成熟电路及拓扑在EMI设计方面已有的经验。
主要搞清楚以下几点：
1）造成EMI的主要源头一般是什么器件？
2）如何设计可以减小EMI关键器件的电压尖峰？
3）配合使用什么样的滤波器比较好？
4）采用什么散热方式（即散热器如何处理及绝缘措施等）？
5）成熟电路按照新的要求
升级会员 