开关电源PCB的EMC优化方案

开关变换器噪声的干扰路径为干扰源和被干扰设备的耦合提供了条件，对其共模干扰和差模干扰的研究尤为重要。 主要分析了电路主要部件的高频模型，共模和差模噪声的电路模型，为开关电源PCB的EMC优化设计提供了有益的援助。

开关电源的共模干扰和差模干扰对电路的影响不同。 通常，低频差模噪声占主导地位，而高频共模噪声则占主导地位。 共模电流的辐射效应通常大于差模电流的辐射效应。 因此，辐射效应要大得多。 区分电源中的差模干扰和共模干扰。
为了区分差模干扰和共模干扰，我们首先需要研究开关电源的基本耦合模式。 在此基础上，我们可以建站差模噪声电流和共模噪声电流的电路路径。 开关电源的传导耦合主要包含：
导电耦合，电容耦合，电感耦合以及这些耦合方法的混合。
1共模和差模噪声路径模型
开关电源的形成是由于存在于高频变压器的初级绕组和次级绕组之间的耦合电容CW，存在于功率管和散热器之间的杂散电容CK以及功率管本身的寄生参数 并由于相互耦合而产生印刷线路。 互感，自感，互感，自感，阻抗和其他寄生参数构成共模噪声和差模噪声路径，从而形成共模和差模传导干扰。 在对功率开关器件，变压器和印刷电路的电阻，电感和电容的寄生参数模型进行分析的基础上，可以获得转换器的噪声电流路径模型。
2主电路元件的高频模型
电源开关管的内部寄生电感和电容会影响电路的高频性能。 这些电容器使高频干扰泄漏电流流到金属基板，并且在功率管和散热器之间存在杂散电容CK。 出于安全原因，散热器通常接地，这提供了共模噪声路径。
当PWM转换器工作时，随着开关设备的工作，它也会相应地产生共模噪声。 如图1所示，对于半桥转换器，开关Q1的漏极电压始终为U1，并且随着开关状态的变化，源极电势从0变为U1 / 2。 Q2的源极电势始终为0，漏极电势在0至U1 / 2之间变化。 为了保持开关管和散热器之间的良好接触，通常在开关管的底部和散热器之间添加绝缘垫片，或者使用导热性好的绝缘硅胶。 这导致在点A和地之间的并联耦合电容器CK。 当开关管Q1和Q2的状态改变时，使得在点A处的电势改变，如图12所示，在CK上产生噪声电流Ick。 2.该电流从散热器流到机箱，然后流到机箱。 即，接地线和主电源线具有耦合阻抗，从而形成图1中的虚线所示的共模噪声路径。 2.因此，共模噪声电流在地线和主电源线的耦合阻抗Z上产生电压降，从而形成共模噪声。

图1半桥转换器示意图

图2由开关管对地的电容形成的共模电流环路
隔离变压器是一种广泛使用的电力线干扰抑制措施。 它的基本功能是实现电路之间的电气隔离，并解决由接地环路引起的设备之间的相互干扰。 对于理想的变压器，它只能传输差模电流，而不能传输共模电流。 这是因为对于共模电流，理想变压器的两个端子之间具有相同的电势，因此它无法在绕组上产生磁场。 没有共模电流路径，该路径在抑制共模噪声中起作用。
实际的隔离变压器在初级侧和次级侧之间具有耦合电容器CW。 耦合电容器是由变压器绕组之间存在非电介质和物理间隙引起的，该间隙为共模电流提供了路径。
如图2所示，点A是电路中电压变化大的区域，也是噪声大的区域。 通过电路的高频开关，此时的高频电压将通过变压器初级和次级之间的分布电容Cps，电源线对地的阻抗以及次级印刷线的阻抗 。 变压器，电感器，电容器等，并形成变压器的共模噪声路径。
共隔离变压器对共模噪声有肯定的抑制作用，但由于绕组之间电容的分布，其对共模干扰的抑制作用随频率的增加而减小。 共隔离变压器对共模干扰的抑制效果可以通过设备的初级和次级之间的分布电容和设备对地面的分布电容之比来估算。 通常，初级和次级之间的分布电容为几百pF，设备对地的分布电容为几nF至数十nF，因此共模干扰的衰减值约为10到20倍，即 20至30dB。 为了提高隔离变压器抑制共模噪声的能力，关键是要具有较小的耦合电容。 因此，可以在变压器的初级和次级之间添加屏蔽层。 屏蔽层对变压器的能量传输没有不利影响，但是会影响绕组之间的耦合电容。 除了抑制共模干扰，带屏蔽层的隔离变压器还可以通过使用屏蔽层来抑制差模干扰。 具体方法是将变压器屏蔽层连接到初级零线端子。 对于50 Hz的工频信号，由于由初级和屏蔽层形成的高容抗，它仍可以通过变压器效应传输到次级而不会衰减。 对于具有较高频率的差模干扰，由于初级和屏蔽之间的电容电抗变小，这部分干扰将通过分布的电容以及屏蔽和初级中性点之间的连接直接返回到电网。 将不会进入次级电路。
因此，对变压器的高频，非常是变压器的许多寄生参数（例如漏感，一次侧和二次侧之间的分布电容）进行建模特别重要，这将对共模水平产生重大影响 电磁干扰 必须考虑。 实际上，您可以使用阻抗测量设备来测量变压器的主要参数，以获得这些参数并进行仿真分析。

半桥电路中的直流电解电容器Cin具有对应的串联等效电感ESL和串联等效电阻。 这两个参数也影响电路的高频性能。 通常，ESL约为数十nH。 在实际分析中，可以使用高频阻抗分析仪来测量无源元件的高频等效寄生参数，例如电阻，电感和电容器，并且可以从电路模型中获得功率器件的高频模型。 图书馆。 仿真软件。
对电路的高频噪声影响更大的另一个因素是印刷电路板上印刷线（带状线）的相互耦合。 当导体附近的信号承载点附近出现高幅值的瞬态电流或快速上升的电压时，可能会出现干扰问题。 印刷导体的耦合通常以电路和导体的互电容和互感为特征。 电容耦合感应出耦合电流，而电感耦合感应出耦合电压。 PCB层的参数，信号线的布线以及它们之间的间距都会影响这些参数。
建站印刷电路板走线的高频模型和提取走线之间的寄生参数的主要困难是确定印刷电路板走线的每单位长度的电容和每单位长度的电感。 通常，有三种方法可以确定电感和电容矩阵的组成：
（1）有限差分法（FDM）； （2）有限元法（FEM）； （3）动量法（MOM）。
正确确定单位长度矩阵后，可通过多导体传输线或部分元件等效电路（PEE C）理论获得印刷电路板走线的高频仿真模型。 Cadence软件是功能强大的EDA软件。 它的SpecctraQuest工具可以在PCB上执行信号完整性和电磁兼容性分析。 它也可以用于印刷电路板走线的高频建模，以实现给定的PCB结构。 执行参数提取并生成一个寄生参数矩阵，例如任何形状的印刷导线的电感，电容和电阻，然后使用PEEC理论进行EMC仿真分析。
3共模和差模噪声的电路模型
通常，电路中同时存在共模干扰和差模干扰。 电源的任何相线和地面之间都存在共模干扰，并且相线和相线之间存在差模干扰。 法国格勒诺布尔电气技术实验室的Teuling，Schnaen和Roudet根据由MOSFET组成的400W斩波电路的实验模型进行的研究表明，低频时差模式干扰占主导地位。 在高频下，共模干扰占主导地位，这表明开关电源的差模和共模干扰对电路的影响不同。 另一方面，线路寄生参数对差模和共模干扰的影响也不同，这是因为在长距离传输后，线路和线路不同的接地阻抗之间的阻抗会导致差分模式重量的衰减 大于共模衰减。 因此，为了解决开关电源的传导噪声问题，必须首先区分共模干扰和差模干扰。 这要求建站共模和差模噪声路径，然后分别进行仿真和分析。 。 这种方法对我们发觉电磁干扰特别方便，问题的根本原因很简单解决。
在工程中，您可以使用电流探头来确定电源是处于共模还是差模。 探头首先分别围绕每根导线以获得单根导线的电感； 然后将其围绕两根导线以检测其电感。 当电感值增加时，线路中的干扰电流为共模，否则为差模。 在理论分析中，对于不同的系统，有必要建站其共模和差模噪声电流模型。 根据以上分析，考虑功率器件的高频模型和印刷电路之间的耦合，我们得到了半桥QRC转换器的共模和差模干扰电路模型，如图3所示。 图片中的LISN（线路阻抗稳定网络）是EMC规定的线性阻抗固定网络。 因为50 Hz工频信号LISN的电感显示为低阻抗，而电容器则显示为高阻抗，所以工频信号LISN基本上没有衰减，电源可以通过交流电发送到半桥转换器。 LISN。 对于高频噪声，LISN的电感表现为大阻抗，并且电容器可以视为短路。 因此，LISN可以预防高频噪声在被测设备和电网之间传输。 因此，LISN充当共模和差模干扰。 电流在要测量的频带（通常为100KHz〜30MHz）中提供固定的阻抗（50ohm）。

图3半桥QR C转换器的噪声模型
在上图中，共模噪声电流从两组LISN开始，流经电路开关器件，变压器，PCB印刷导体，次级电路，然后返回LISN，以形成共模噪声电流环路。 差模噪声电流在两组LISN，印刷导体，开关设备和变压器之间形成环路。 共模噪声和差模噪声可以分别从两组LISN电阻的电压差的一半或一半的总和中获得。
这是：

开关电源PCB EMC设计优化
使用相同的方法，很简单获得其他拓扑的导电干扰电路模型。

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