开关电源的电磁干扰防制技术——传导篇

2万 · 2014-10-17 00:27

因IC的信号一般都较小，很容易受到外来的干扰而产生误动作，因此在布线时除了要注意与电源路径的距离外，也需注意与任何会产生干扰的组件，像是与磁性组件的磁力线会影响到的周边，或是电源输入线材周边等高压电位都是需注意的地方。

电源与信号路径有一个共同接点：GND，地的走线对EMI影响非常大，参考的地回路接线方式如图26所示。

图26

2万 · 2014-10-17 00:27

橙色线为Y电容建议连接法，让输出的地经由Y电容直接连至桥式整流器的负端，让雷击或ESD的能量可以快速的经由Y电容通过。

绿色线为辅助回路的建议接法，让电解电容直接回变压器的地，再单独接至大电容的地。

红色部份为IC的地建议接法，因MOSFET下方的电阻是电源路径(会走大电流)，要尽量的靠近大电容来形成较小的电流回路，再由大电容拉一条线至辅助绕组的积层陶瓷电容(MLCC)，再进入IC的地，而其他IC周边组件的地，即以MLCC电容为中心连接点，此接法一般称为心脏接地，即以此电容为心脏中心，IC周边下地点都接回至此电容，如此任何的地信号要进入IC的地之前，都可以先被此MLCC电容过滤成较干净的信号。

2万 · 2014-10-17 00:27

在布线时，任何大面积的导体都需要特别留意，包括散热片／外壳／输入／输出线材等，这些导体如同一天线，会放大任何在上面的信号，不但这些组件所接的位置非常重要，其经过的路径也需注意；一般来说，散热片与外壳不可空接，否则其很容易与周边组件耦合电场效应而产生高频干扰，一般会使其接一较干净，在运作时不会有电位差的电位(GND)。

在此建议的布线方式并不是最好的方式，因不同的变压器设计与布线不同，在EMI里的结果也会有差异，有时必需将干扰源抑制在二次侧或初级侧，有时则必需将干扰源由Y电容或其他组件导出以得到较佳的EMI，因此在此只提出一个布线的设计参考，使用者在对策EMI时仍需做不同的布线方式来得到最佳的EMI效果。

2万 · 2014-10-17 00:28

6 EMI滤波器设计概念

6.1 基本概念

在开关电源的设计里，为了对策传导干扰大都会在输入端前端加入EMI滤波器，因传导测试是由AC端来做量测，因此滤波器愈靠近接收器效果愈好(让所有的干扰都可经由滤波器做衰减)，而一般滤波器是经由电感与电容组合而成的二阶低通滤波器。

如图27所示，当干扰信号在经过接收器之前，由电感与电容组成的二阶低通滤波器来衰减高频信号，由图28可知，愈大的滤波电感或电容，可以让谐振频率点往前移而衰减更多高频信号。

图27

2万 · 2014-10-17 00:28

图28

2万 · 2014-10-17 00:28

6.2 耦合路径

在滤波器设计上，需确认要衰减的路径是差模还是共模，如图29所示为常用的EMI滤波电路，蓝色回路为差模滤波器，左边为L1与X1，右边则由L2与C1所组合而成的差模低通滤波器，紫色回路则为共模滤波器，分别由上端的L1与Y1，L1与Y2组合而成。

图29

2万 · 2014-10-17 00:29

6.3 实际的滤波器考虑

理想的滤波器很容易理解，高频干扰经过低通滤波后衰减其高频信号。但在实际应用里，电感或电容愈大，有时并不一定有较好的EMI效果，甚至有时还会较差，这是为什么？

因真实的电感或电容，必需考虑到组件内部的等效电路，像是理想的电容，其阻抗会随着频率增加而减少，但在实际的电容器内部会有ESL与ESR，当频率与阻抗曲线在超过自谐振频率点(Fr)之后，其阻抗反而会因ESL的效应而导致频率愈高，阻抗愈大。

下面就对滤波电感与电容个别来做介绍：

电容：图30为一电容的等效电路，Ｌ为等效电感，Rs为等效串联电阻，Rp为等效并联电阻，Ｃ为其电容值

图30

2万 · 2014-10-17 00:29

实际的电容器除了电容值外，仍必需考虑其等效电感与等效电阻的影响，其特性曲线如下图所示，电容的XL是由其内部的ESL所造成，因电容是由二片金属板绕制而成，因此容值愈大，其ESL也会愈大，也因此Fr也会在愈前面，当频率过了Fr后，其阻抗会由电容性改为电感性。

由图31的阻抗等效图可以看出，电容器在低频时，确实是由电容所主导，频率增加而阻抗降低，但在过了Fr后，阻抗特性开始由电感(ESL)所主导，频率增加后阻抗反而会上升，在此频段的电容呈现一个电感的特性。

图31

2万 · 2014-10-17 00:29

在此举例一0.47uF的X电容如下图32所示，左边为其外型与等效内部电路，右边则为等效内部阻抗与频率曲线图，量测得知其等效电感为0.45nH, 等效电阻为0.05ohm，我们可以看出其阻抗在1.09MHz之前是呈电容性下降，在1.09MHz时呈现急速下降至ESR的位置，并在1.09MHz后呈现电感性上升，转折频率点为

与图中转折点相同(此图为示意图，详细曲线图请确认电容器厂商规格书或用LCR设备量测)。

2万 · 2014-10-17 00:29

图32

所有的电容其实都有此频率特性曲线，像是图33为一相同类型但不同容质所得出的阻抗与频率曲线，由此图形可知，不同的容质会因其容质与ESL不同而有不同的共振频率点与与频率曲线。

2万 · 2014-10-17 00:30

图33

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一样MLCC的电容，也会因为其介电系数的不同而影响阻抗特性曲线，如图34所示为Z5U与NPO(相同容值)所呈现出来的阻抗与频率曲线。

另外，相同材质与容质，也会因不同的包装影响其ESL而有不同的阻抗特性曲线，如图35为相同容值与材质，但包装不同(0402/0603/0805)所呈现出来的阻抗与频率曲线。

图34

2万 · 2014-10-17 00:30

图35

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由上面的阻抗与频率特性曲线可得知，在对策不同频段的电磁干扰时，必需考虑不同材质，不同包装的电容在此频段时的阻抗特性为何，并依此来选择电容器才能达到预期的效果。

电感：图36为电感的等效电路，Rs为等效电阻，Ｃ为等效电容，Ｌ则为其电感量。

图36

2万 · 2014-10-17 00:31

与电容器相似，其频率特性曲线如图37所示，在转折频率点以下时是由电感所主导，但过了转折频率点之后，会由电感的等效电容主导，当频率愈高时阻抗反而愈小。感量愈大的电感，因其必需绕制更多圈数来得到其所需的感量，因此更多的圈数会导至更大的寄生电容，转折频率点也会较为前面，而在高频时的衰减能力也会较差，如图38所示为三颗相同环形铁心绕制不同圈数后得出的阻抗频率特性曲线，L1最多圈因此在前频段时上升最快，但也因寄生电容最大而最快被衰减。

另外，电感的等效电容与电感的绕法／圈数有很大的关系，一般是圈数愈多会有愈大的等效电容，但电感的绕制可以用绕法的不同，像是十字绕法，蝴蝶绕法…等方式，用相同的电感但不同的绕法来得到相同感量但减少其等效电容，藉此来得到较佳的EMI效果。

2万 · 2014-10-17 00:31

图37

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图38

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7 变压器在传导的设计概念

一般工程师对变压器的观念，就是用铜线在铁粉心的铁心上绕线，并根据不同的圈数与感量，可得到不同的工作周期，电流变化率与MOSFET/DIODE的电压应力；但在EMI的领域里，变压器的设计就没有这么简单，经验丰富的工程师都知道良好的变压器设计在EMI里占有举足轻重的地位，下面就一一来介绍：

7.1 变压器的基本概念

一般开关电源的变压器皆是使用铁粉心(Ferrite Core)制成其铁心，再由线圈绕制在铁心上而成，以图39左边所示为一线圈绕制在铁心中间时，因电流在铁心里所产生的磁通方向。

2万 · 2014-10-17 00:32

图39

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如图40与41简易的反激式线路图与波形，此为一65W在230V输入时的工作情形，量测变压器初级与次级侧(如图所示探棒位置)，因开关电源是靠开关做快速开关来得到稳定的输出，当MOSFET开关关断时，初级开关的Drain pin会由低电压提升至高电压，同时次级二极管端也会同样的由低压至高压，但初级侧电压的电位差会远高于次级侧电压，由之前的观念可知道，两导体之间会有耦合电容，而此电容会因电位差而产生一电流，如图42所示，当初级侧导体的电压高于次级侧时，将会有一电流由初级侧导体经由耦合电容流入次级侧(如绿色箭头)；同理，当开关导通时，初级与次级导体的电压会由高电压降低至低电压，由于初级侧的电位差比次级侧较大，因此这时也会有一电流由次级侧导体流入初级侧(如紫色箭头)。

图40

开关电源的电磁干扰防制技术——传导篇

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