功率電子係統對於高頻的EMI的設計，應該從那些方麵入手呢？本文將提供一寫參考：確認有哪些噪聲源；分析噪聲源的特性


；確認噪聲源的傳遞路徑等。

 

功率電子係統對於高頻的EMI的設計：

A．確認有哪些噪聲源；

 

B．分析噪聲源的特性；相關資料可以通過網絡搜索作者名字下載或觀看；（我的理論：先分析再設計；了解噪聲源頭特性是關鍵）！

 

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

 

EMI的耦合路徑：感性耦合
；容性耦合
；傳導耦合


；輻射耦合！

 

處理功率電子係統EMI的噪聲源及噪聲特性分析：

 

1．功率電子高頻電磁幹擾是由於電磁幹擾噪聲源的梯形波頻譜造成的；

 

2．功率電子高頻電磁幹擾在差模（DM）傳播路徑上的PFC電路中的PFC電感其阻抗由於磁芯選擇和繞線結構會引起器件的多個諧振點！在諧振點的阻抗到達穀底對此頻段的插入損耗就不足

，造成差模數據超標；

 

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

 

4．功率電子高頻電磁幹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．抑製功率電子高頻電磁幹擾PCB－電路板布局布線設計就很關鍵了。

 

我的《開關電源：EMC的分析與設計》對於EMI－傳導的問題我有講插入EMI輸入濾波器的設計是最快速的方法；我後麵再將細節分析。同時對於＞75w有PFC的功率電子PFC係統的EMI－輻射的問題；特別是客戶經常碰到30MHZ－50MHZ的EMI－輻射的問題
，我有提供設計方法參考
；我再進行設計分析；

 

對於功率電子係統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
，脈衝寬度為TW
，脈衝上升／下降時間為TRISE／TFALL。tuzhongyoubianwomencongpinyulaikancixinhao，qizhonghanyoujipinchengfenhehenduogaocixiebochengfen


，tongguofuliyebianhuanfenxikeyizhidaozhexiegaopinchengfendefuduhemaichongkuandu、上升／下降時間之間的關係
；其關係的表現結果如下：

 

 

通常EMI輻射問題常常發生在30MHz～300MHz頻段。通過增加上升和下降時間可將fR的位置向更低頻方向移動，同時更高頻率信號的強度將以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－輻射測試數據超標通常在30MHZ－50MHZ／其EMI－輻射的優化設計分析如下圖；

 

 

我先分析係統的騷擾源的情況：

差模騷擾的產生主要是由於開關管工作在開關狀態，當開關管開通時流過電源線的電流線性上升，開關管關斷時電流突變為零．因yin此ci
，流liu過guo電dian源yuan線xian的de電dian流liu為wei高gao頻pin的de三san角jiao脈mai動dong電dian流liu
，含han有you豐feng富fu的de高gao頻pin諧xie波bo分fen量liang，隨sui著zhe頻pin率lv的de升sheng高gao，該gai諧xie波bo分fen量liang的de幅fu度du越yue來lai越yue小xiao
，因yin此ci差cha模mo騷sao擾rao隨sui頻pin率lv的de升sheng高gao而er降jiang低di；

 

共模騷擾的產生主要原因是電源與大地（保護地）zhijiancunzaifenbudianrong，dianluzhongfangbodianyadegaopinxiebofenliangtongguofenbudianrongchuanrudadi，yudianyuanxiangouchenghuilu，chanshenggongmosaorao。jianlijiandandedengxiaotianxianmoxingjinxinglilunfenxi：

 

 

通過上麵的等效天線模型進行分析：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電容進行電路應用原理圖設計＆重要分布參數的等效分析：

 

 

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開關管（功率電子器件MOS／IGBT／SiC等等）

，開關管安裝在散熱器上時，開關管的D極與散熱器相連
，與散熱器之間形成一個耦合電容C7，VT2工作在開關狀態，其D極的電壓為高頻方波（梯形波）
，方波（梯形波）的頻率為開關管的開關頻率
，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N電源線構成回路，產生共模騷擾。

 

電源與大地的分布電容比較分散，其它的分布參數我先不作分析；

 

從原理設計圖來看，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與機殼的距離比較遠（器件布局要求），分布電容比開關管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開關管與散熱器之間的耦合電容＝C7。

 

通過上麵的理論：解決PFC的30MHZ－50MHZ輻射騷擾的問題方法如下：

 

增加一個高頻電容C8，接在開關管散熱器與輸出地之間，該電容與散熱器的連接處離開關管越近越好
，該電容選用安規電容
，容量在470PF到0．01μF之間，太大會使電源的漏電流超標
，經過電容C7耦合到散熱器上的騷擾信號經過C8衰減，衰減的係數為：

 

 

由於C8比C7大的多
，上式可以簡化為：C7／C8

 

進行理論計算：

 

注意：C7為 PFC開關MOS與散熱器的耦合電容；計算數據我們可以進行估算：假設C7為30PF，C8為470PF
，則向外發射的騷擾信號被衰減了15．7倍，近25dB。

 

實際應用與理論測試一致；已指導工程師朋友們解決了很多的實際問題！

 

對於功率電子其有相對較大的功率EMI－傳導的設計《開關電源：EMC的分析與設計》對於EMI－傳導的問題我有講插入EMI輸入濾波器的設計是最快速的方法；其設計細節相關資料可以通過網絡搜索作者名字下載或觀看；我將容易出現困惑的地方及細節進行分析；

 

我通過一個實際的變頻空調的例子進行分析，如下是使用2級共模濾波器結構的帶有PFC設計的大功率的傳導EMI的測試數據：

 

 

我們來分析10MHZ左右的包絡；變頻空調的係統在2KW左右，其係統有PFC電路設計；對於傳導的問題，我的開關電源－PFC進行高效設計解決高頻傳導設計：對於超標的整改通過Y的設計優化就能解決問題！

 

 

那麼超標處的理論機理是怎樣的？通過理論與實際深層次進行機理分析如下
；

 

 

從圖示中；我們實際產品在地線的連接時，過長的地線就會存在電感Lgnd；在功率電子開關其回路中的寄生電容我用Cc來進行等效
；那麼電路的共模回路中就增加一個L，C諧振的狀態，其振蕩頻率用f標示怎諧振頻率為：

 

 

超標的尖峰包絡基本是跟這個諧振頻率相關
；我將模擬測試數據提供參考：

 

 

黑色曲線數據是去除共模濾波器的測試數據；紅色曲線數據是插入共模電感Y電容的2級濾波器測試數據；很明顯共模回路的LC諧振產生了高頻尖峰
，同時共模電感的阻抗在10MHZ左右衰減也很大（即阻抗減小），即共模濾波器對＞10MHZ的插入損耗低
；大的諧振能量就會造成高的高頻尖峰，不適合的設計就更難處理該頻點的EMI問題了！

 

因此處理措施方法就會清晰，阿杜的老師的理論：先分析再設計

；實現性價比最優化原則！

 

對於功率電子的EMI傳導我經常讓設計工程師調整係統Y電容的位置也非常有效－特別是有2級共模電感＆2級Y電容結構的設計我將原理進行分析；如下圖：

 

 

在圖示的兩級共模濾波器的結構中，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時

，兩根線之間就會存在互感M，大的互感能量就會將噪聲源耦合到LISEN網絡造成EMI的數據超標－出現高頻的尖峰；模擬測試數據參考如下：

 

 

如圖所示紅色曲線數據顯示的高頻尖峰EMI噪聲；通過改善輸入濾波器的Y電容的接地點的位置
，增加前後兩個Y 電容地走線的平行距離再連接到機殼或公共地；從而可減小共模環路的相互耦合強度
；通過選擇合適的接地點就能搞定高頻的尖峰EMI傳導的設計！如圖中的綠色曲線的模擬測試數據，功率電子係統就能通過EMI設計。

 

通過上麵的中大功率的帶PFC係統的EMI的分析和設計，任何複雜的EMI問題
；我都可以通過電子設計師的EMI測試曲線找到問題的根源；大家可以在網絡上搜索本作者：查詢我的文章我們通過EMI的測試曲線數據分析解決EMI的問題！

 

任何的EMC及電子電路的可靠性設計疑難雜症
；先分析再設計才是高性價比的設計！

 

實際應用中電子產品的EMC涉及麵比較廣；我的係統理論及課程再對電子設計師遇到的實際問題 進行實戰分析！先分析再設計；實現性價比最優化原則！