Problemas comuns no teste EMI de fontes de alimentação de comutação

Atualmente, o problema da compatibilidade eletromagnética de produtos eletrônicos atrai cada vez mais atenção. Os países especialmente desenvolvidos do mundo formaram um sistema completo de compatibilidade eletromagnética. Ao mesmo tempo, nosso país também está estabelecendo um compatibilidade eletromagnética sistema. Portanto, a realização de Teste EMI de produtos é um passaporte para entrar no mercado internacional. LISUN Sistema de Teste EMI EMI-9KB atende plenamente CISPR15:2018, CISPR16-1, GB17743, FCC, EN55015 e EN55022.

Para a fonte de alimentação de comutação, uma vez que o tubo de comutação e o tubo retificador funcionam sob a condição de alta corrente e alta tensão, ele produzirá forte interferência eletromagnética para o mundo exterior, de modo que a emissão de condução e emissão de radiação eletromagnética da fonte de alimentação de comutação são mais difícil do que outros produtos. Para alcançar a compatibilidade eletromagnética, mas se tivermos uma compreensão clara do princípio da interferência eletromagnética gerada pela comutação de fontes de alimentação, não é difícil encontrar contramedidas adequadas para reduzir o nível de emissão conduzida e o nível de emissão irradiada a um nível apropriado para alcançar a compatibilidade eletromagnética Projeto.

O Mecanismo de Geração e a Forma de Propagação da Interferência Eletromagnética na Fonte de Alimentação Chaveada
A alta ação de comutação dos dispositivos de comutação de energia é a principal causa de interferência eletromagnética (EMI) na comutação de fontes de alimentação. O aumento da frequência de comutação reduz o tamanho e o peso da fonte de alimentação, por um lado, e leva a EMI problemas por outro lado. Interferência eletromagnética na comutação de fontes de alimentação é dividido em dois tipos: interferência conduzida e interferência irradiada. Usualmente interferência conduzida é melhor analisado, e a teoria de circuitos e o conhecimento matemático podem ser combinados para estudar as características de vários componentes na interferência eletromagnética; mas para interferência irradiada, devido ao efeito abrangente de diferentes fontes de interferência no circuito, envolve também a teoria do campo eletromagnético, é mais difícil de analisar. O mecanismo dessas duas interferências será brevemente apresentado a seguir. A interferência conduzida pode ser dividida em interferência de modo comum (Modo Comum-CM) e interferência de modo diferencial (Modo Diferencial-DM). Devido à existência de parâmetros parasitas e a alta frequência de ativação e desativação de dispositivos de comutação na fonte de alimentação de comutação, a fonte de alimentação de comutação gera grande interferência de modo comum e interferência de modo diferencial em sua entrada (ou seja, o lado da rede CA).

Interferência do Modo Comum (CM)
Quando o conversor trabalha em alta frequência, devido ao alto dv/dt, a capacitância parasita entre as bobinas do transformador e entre o tubo de comutação e o dissipador de calor é excitada, resultando em interferência de modo comum.
De acordo com o princípio da interferência de modo comum, os seguintes métodos de supressão são frequentemente usados ​​em aplicações práticas:
1. Otimize o layout dos componentes do circuito para minimizar as capacitâncias parasitas e de acoplamento.
2. Atrase o tempo de ligar e desligar do interruptor. Mas isso é inconsistente com a tendência da fonte de alimentação de comutação de alta frequência.
3. Aplique um circuito snubber para diminuir a taxa de mudança de dv/dt.

Interferência de Modo Diferencial (DM)
A corrente no conversor de comutação é comutada em alta frequência, resultando em um alto di/dt nos capacitores do filtro de entrada e saída, ou seja, a tensão de interferência é induzida na indutância ou impedância equivalente do capacitor do filtro. Neste momento, ocorrerá interferência de modo diferencial. Portanto, a seleção de capacitores de filtro de alta qualidade (indutância ou impedância equivalente é muito baixa) pode reduzir a interferência do modo diferencial.

Geração e propagação de interferência irradiada
Interferência de radiação pode ser ainda dividida em interferência de campo próximo (distância entre o ponto de medição e a fonte de campo <λ/6 (λ é o comprimento de onda da onda eletromagnética de interferência)) e interferência de campo distante (distância entre o ponto de medição e a fonte de campo>λ/6 ). De acordo com a teoria do campo eletromagnético de Maxwell, uma corrente variável em um condutor produz um campo magnético variável no espaço ao seu redor, que por sua vez produz um campo elétrico variável, ambos obedecendo às equações de Maxwell. A magnitude e a frequência desta mudança de corrente determinam a magnitude e o alcance do campo eletromagnético gerado. Na pesquisa de radiação, a antena é a fonte de radiação eletromagnética. No circuito de alimentação chaveada, os componentes e conexões no circuito principal podem ser considerados como a antena, que pode ser analisada aplicando a teoria do dipolo elétrico e do dipolo magnético. Na análise, diodos, tubos de comutação, capacitores, etc. podem ser considerados como dipolos elétricos; bobinas indutivas podem ser consideradas como dipolos magnéticos e, em seguida, uma análise abrangente pode ser realizada com a teoria do campo eletromagnético relevante.

Quando a fonte de alimentação de comutação está funcionando, suas formas de onda internas de tensão e corrente aumentam e diminuem em um tempo muito curto. Portanto, a própria fonte de alimentação de comutação é uma fonte de ruído. A interferência gerada pela fonte chaveada pode ser dividida em dois tipos: interferência de pico e interferência harmônica de acordo com o tipo de fonte de interferência de ruído; se dividido de acordo com o caminho de acoplamento, pode ser dividido em dois tipos: interferência de condução e interferência de radiação. A maneira fundamental de evitar que a interferência gerada pela fonte de alimentação cause danos ao sistema eletrônico e à rede elétrica é enfraquecer a fonte de ruído ou cortar o caminho de acoplamento entre o ruído da fonte de alimentação e o sistema eletrônico e a rede elétrica .

Explique separadamente de acordo com a fonte de interferência de ruído
1. Interferência causada pelo tempo de recuperação reversa do diodo
A tensão de entrada CA é convertida em uma tensão pulsante senoidal pela ponte retificadora de diodo de potência e, em seguida, torna-se CC após ser suavizada pelo capacitor, mas a forma de onda da corrente do capacitor não é uma onda senoidal, mas uma onda de pulso. Pode ser visto pela forma de onda da corrente que a corrente contém harmônicos mais altos. Uma grande quantidade de componentes harmônicos de corrente flui para a rede elétrica, causando poluição harmônica à rede elétrica. Além disso, como a corrente é uma onda de pulso, o fator de potência de entrada da fonte de alimentação é reduzido. Quando o diodo retificador no circuito retificador de alta frequência é condutor direto, uma grande corrente direta flui. Quando ele é desligado pela tensão de polarização reversa, devido ao acúmulo de mais portadoras na junção PN, a corrente que conduz Por um período de tempo antes que a portadora desapareça, a corrente fluirá na direção oposta, resultando em diminuição da corrente de recuperação reversa do desaparecimento da portadora e uma grande mudança de corrente (di/dt).

2. Interferência harmônica gerada quando o tubo do interruptor funciona
Quando o tubo do interruptor de alimentação é ligado, uma grande corrente de pulso flui. Por exemplo, a forma de onda da corrente de entrada do tipo direto, tipo push-pull e conversor tipo ponte é aproximadamente onda retangular quando carga resistiva, que contém componentes harmônicos de alta ordem abundantes. Quando a comutação de corrente zero e tensão zero é usada, essa interferência harmônica será mínima. Além disso, a mudança repentina de corrente causada pela indutância de fuga do enrolamento do transformador de alta frequência durante o período desligado do tubo do interruptor de alimentação também produzirá interferência de pico.

3. Interferência causada pelo circuito de entrada CA
O tubo retificador na extremidade de entrada da fonte de alimentação de comutação sem um transformador de frequência de energia causará oscilação amortecida de alta frequência durante o período de recuperação reversa e causará interferência. A interferência de pico e a energia de interferência harmônica gerada pela fonte de alimentação de comutação, a interferência formada através das linhas de entrada e saída da fonte de alimentação de comutação é chamada de interferência de condução; e a energia de oscilação harmônica e parasitária, quando propagada pelas linhas de entrada e saída, estará no espaço. Gerar campos elétricos e magnéticos. Essa interferência gerada por radiação eletromagnética é chamado de interferência irradiada.

4. Outras razões
Os parâmetros parasitas dos componentes e o desenho esquemático da fonte de alimentação chaveada não são perfeitos. A fiação da placa de circuito impresso (PCB) geralmente é organizada manualmente, o que tem grande aleatoriedade. A interferência de campo próximo do PCB é grande, e a instalação e posicionamento e orientação não razoáveis ​​causarão Interferência EMI. Isso aumenta a dificuldade de extrair os parâmetros de distribuição de PCB e estimar a interferência de campo próximo.

A reação do ruído da arquitetura Flyback no espectro
• A oscilação gerada em 0.15MHz é a interferência causada pelo 3º harmônico da frequência de chaveamento;
• A oscilação gerada em 0.2MHz é a interferência causada pela superposição do 4º harmônico da frequência de chaveamento e a onda fundamental da oscilação Mosfet 2 (190.5KHz); então essa parte é mais forte;
• A oscilação gerada em 0.25MHz é a interferência causada pelo 5º harmônico da •frequência de chaveamento;
• A oscilação gerada em 0.35MHz é a interferência causada pelo 7º harmônico da frequência de chaveamento;
• A oscilação gerada em 0.39MHz é a interferência causada pela superposição do 8º harmônico da frequência de chaveamento e a onda fundamental da oscilação Mosfet 2 (190.5KHz);
• A oscilação gerada em 1.31MHz é a interferência causada pela onda fundamental da oscilação do Diodo 1 (1.31MHz);
• A oscilação gerada em 3.3MHz é a interferência causada pela onda fundamental da oscilação Mosfet 1 (3.3MHz);

Características da fonte de alimentação de comutação EMI
Como um dispositivo de conversão de energia trabalhando no estado de comutação, as taxas de mudança de tensão e corrente da fonte de alimentação de comutação são muito altas e a intensidade de interferência é relativamente grande; as fontes de interferência estão concentradas principalmente durante o período de comutação de energia e o radiador e o transformador de alto nível conectados a ele. A localização da fonte de interferência do circuito é relativamente clara; a frequência de comutação não é alta (de dezenas de kilohertz e vários megahertz), e as principais formas de interferência são a interferência conduzida e a interferência de campo próximo; e os traços da placa de circuito impresso (PCB) geralmente são conectados manualmente. Possui maior aleatoriedade, o que aumenta a dificuldade de extração de parâmetros de distribuição de PCB e interferência de campo próximo.

Medidas para evitar EMI ao projetar fontes de alimentação de comutação
• Minimize a área da folha de cobre do PCB para nós de circuito de ruído, como dreno, coletor, nós de enrolamento primário e secundário de tubos de comutação, etc.;
• Mantenha os terminais de entrada e saída longe de componentes de ruído, como enrolamentos de fios de transformadores, núcleos de transformadores, dissipadores de calor de tubos de comutação, etc.;
• Mantenha os componentes ruidosos (como enrolamentos de fios de transformador não blindados, núcleos e interruptores de transformador não blindados, etc.) longe da borda do gabinete, que provavelmente ficará próximo ao fio terra externo sob operação normal;
• Se o transformador não for blindado com campo elétrico, mantenha a blindagem e o dissipador longe do transformador;
• Minimize a área dos seguintes loops de corrente: retificadores secundários (saída), dispositivos de potência de comutação primária, linhas de acionamento de porta (base), retificadores auxiliares;
• Não misture o circuito de realimentação do inversor de porta (base) com o circuito de chave primária ou circuito retificador auxiliar;
• Ajuste e otimize o valor da resistência de amortecimento para que não produza som de campainha durante o tempo morto da chave;
• Impede a saturação do indutor do filtro EMI;
• Mantenha os nós de giro e os componentes do circuito secundário afastados da blindagem do circuito primário ou do dissipador de calor da chave;
• Mantenha os nós oscilantes do circuito primário e os corpos dos componentes longe de blindagens ou dissipadores de calor;
• Coloque o filtro EMI para entrada de alta frequência próximo ao cabo de entrada ou extremidade do conector;
• Mantenha o filtro EMI da saída de alta frequência próximo aos terminais do fio de saída;
• Mantenha uma certa distância entre a folha de cobre da PCB no lado oposto do filtro EMI e o corpo do componente; coloque alguns resistores na linha do retificador da bobina auxiliar; conecte os resistores de amortecimento em paralelo com a bobina da barra magnética; conecte ambas as extremidades do filtro RF de saída em paralelo Resistência de amortecimento;
• É permitido colocar um capacitor cerâmico de 1nF/500V ou uma série de resistores no projeto da PCB, que é conectado através da extremidade estática primária do transformador e do enrolamento auxiliar;
• Mantenha o filtro EMI afastado do transformador de potência, principalmente no final do envoltório;
• Se a área da placa for suficiente, os pinos para blindagem dos enrolamentos e a posição para colocação dos amortecedores RC podem ser deixados na PCB, e os amortecedores RC podem ser conectados em ambas as extremidades dos enrolamentos de blindagem;
• Coloque um pequeno capacitor de chumbo radial (Miller, 10 picofarads/1kV) entre o dreno e a porta do FET de potência de comutação se o espaço permitir;
• Coloque um pequeno amortecedor RC na saída DC se o espaço permitir;
• Não coloque a tomada CA contra o dissipador de calor do interruptor primário.

Contramedidas EMI na radiação
Ruído de banda larga excessivo na banda de frequência de 30-300MHz
1. Verifique adicionando um anel magnético de desacoplamento (pode ser aberto e fechado) na linha de energia. Se houver melhora, significa que está relacionado à rede elétrica. São utilizados os seguintes métodos de retificação: Se o dispositivo tiver filtro integrado, verifique se o aterramento do filtro está correto. Bom, se o fio terra é o mais curto possível;

2. O aterramento do filtro com carcaça metálica é preferencialmente direto através da grande área de ligação entre a carcaça e o solo. Verifique se as linhas de entrada e saída do filtro estão próximas umas das outras. Ajuste adequadamente a capacitância do capacitor X/Y, a indutância de modo diferencial e a indutância da bobina de estrangulamento de modo comum; preste atenção às questões de segurança ao ajustar o capacitor Y; alterar os parâmetros pode melhorar a radiação de uma determinada seção, mas levará a outras mudanças de frequência. Pobre, então você precisa continuar tentando encontrar a melhor combinação. É uma boa maneira de aumentar adequadamente o valor da resistência no eletrodo de disparo; ele também pode ser efetivamente reduzido conectando um pequeno capacitor ao coletor do transistor de comutação (ou o dreno do transistor MOS) ou o retificador de saída secundária ao terra Common Mode Switching Noise.

3. A placa da fonte de alimentação de comutação deve controlar a área de retorno de cada loop durante a fiação do PCB, o que pode reduzir bastante a radiação do modo diferencial. Adicione capacitores 104/103 aos traços de energia do PCB para desacoplamento de energia; ao conectar a placa multicamada, o plano de energia e o plano de aterramento devem estar próximos um do outro; coloque um anel magnético na linha de energia para comparação e verificação, que pode ser adicionado na placa única posteriormente. Indutores de modo comum são usados ​​para conseguir isso, ou um anel magnético é injetado no cabo. O comprimento da linha L da linha AC de entrada deve ser o mais curto possível; dentro do equipamento de blindagem, se há fonte de interferência próxima aos furos; se houver tinta isolante pulverizada nas juntas sobrepostas das peças estruturais, use uma lixa para limpar a tinta isolante para um teste comparativo. Verifique se o parafuso de aterramento está pulverizado com tinta isolante e se o aterramento é bom.

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