电源模块EMC设计

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电源模块EMC设计

6 R! M' H% \5 @$ ~0 r3 Q0 j众所周知，EMC是指电磁兼容测试，指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。隔离电源模块的EMC测试包含EMI（电磁干扰）测试和EMS（电磁抗扰度）测试两项，那么如何保证电源模块的EMC性能呢？这里将为大家揭晓。

1、EMC简介
* Y& X" K1 t& Q9 h) h  Z7 _; C- hEMI电磁干扰指被测设备对周围设备产生干扰的能力，主要包括传导骚扰CE、 辐射骚扰RE。电源模块的EMS电磁抗扰度指由于在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，根据国标根据国标GB/T 16821-2007 《通信用电源设备通用试验方法》中规定电源模块测试主要包括群脉冲抗扰度（EFT）、浪涌抗扰度（SURGE）、静电放电抗扰、辐射抗扰度等项目。
EMC的产生必须具备的三要素，干扰源、传输介质以及敏感设备，如下图1所示。三者缺一个都构不成EMC问题，那么电源模块的设计中仅需针对其中一个方面进行整改即可实现EMC防护，例如从干扰源进行根除、改善传输介质避免干扰传递或将敏感设备远离干扰源等方法。

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图1  EMC三要素

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2、EMC干扰防护第一式——电路设计
) W" ~: A& |6 O+ E高功率密度、高转换效率的电源模块一般都是开关电源，在开关管开通、关断时，电压和电流都会被斩波，造成较大瞬态变化（di/dt、dv/dt），所以电源模块不论其使用什么样的拓扑结构，只要是开关电源，其都会产生一定程度的EMC干扰如图2所示。

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图2  开关电源常见拓扑与斩波

电源模块的EMC性能可通过优化自身拓扑结构和规范PCB设计进行提升。例如：
l电路设计中，以先保护后滤波为原则，保护器件应放置在离产品的静电导入口最近的地方；
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l拓扑设计中，选择连续导通模式（CCM）的拓扑，例如Boost、全桥、推挽等拓扑；

% G0 D+ _* Q4 C8 ?! ^l在电路防护方面，开关管建议加RC吸收电路和RCD吸收电路，且靠近开关管放置，从而降低尖峰电压，在EMC传输路径上使用π型滤波和全波整流电路等滤波电路，具体可参考图3；

$ ?; u1 L' }, K8 E: d! ClPCB设计中，尽可能地大面积铺地，并且尽量减小对地平面的分割，减小回路面积，从而降低干扰。避免出现大面积孤立铜区，大面积孤立铜区会因电磁等原因影响模块的可靠性；减少布线的长度，从而减小动态节点处电感，避免产生较强的电磁场。
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图3  电源模块EMC优化拓扑

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3、EMC干扰防护第二式——器件选择
8 K' X/ h3 f! H2 D电源模块的元器件选择会直接的影响模块的整体性能，接下来将为大家从电源芯片、高频变压器、场效应管以及共模电感等方面介绍，具体如下所示。
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! }9 a) m0 w5 n, `# G! M: wl高频变压器：应保证直流损耗低、交流损耗低，漏感小，并且需要良好的绕组布局让绕组之间有良好的屏蔽，从而使开关电源工作时，在漏极产生的尖峰尽可能的小；
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- m4 A' ?* S) ?- Y$ ^/ D, sl场效应管：关注其导通电阻和低栅极电荷两项参数，这两项即影响模块的EMC性能也影响整体的效率，所以要做好两者的平衡；
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! ^0 I) \7 X" O0 V) cl共模电感：与其他无源器件相同，关注其电参数，例如额定电压、额定电流、电感量以及漏感等参数

l滤波电容：应用于输入端进行滤波；应用于输出端吸收开关频率及高次谐波电流分量，需求趋势是小型大容量化、高频低阻抗化以及高耐压；
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1 f& q6 ^' J! ]l压敏电阻：要求最大直流工作电压大于电源及信号线直流工作电压。
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图4  电源模块部分元器件4、EMC干扰防护第三式——外围保护

4 M" R: Z5 Q0 A; C/ K5 \, ^4 o电源模块作为模块类产品，对于体积的要求较高，如果仅要依靠电源模块内部的设计满足要求，则产品的体积会非常之大，成本会非常昂贵，因为吸收EMS的电子元器件的体积都很大，所以高等级的EMC干扰防护只能通过外围电路设计来满足系统的EMS要求。

根据国标GB/T 16821-2007 《通信用电源设备通用试验方法》中规定，传导骚扰（CE）的波形大体是分为三种成份组成，分别是低频（150KHz~0.5MHz）、中频（0.5MHz~5MHz）以及高频（5MHz~30MHz）。而针对不同情况则需要不同的外围电路进行解决。
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! Q0 d! f! s0 ?3 V! J, ~低频：属于差模骚扰，使用差模滤波电路解决；
* q. f" _, G$ Z中频：同时有差模和共模骚扰，由共模滤波电路和差模滤波电路共同解决；
, G  G, @+ g8 b1 F( B$ @高频：属于共模骚扰，使用差模滤波电路解决。
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  x) M. E1 Y" r% V9 ?! e电源线中往往同时存在共模和差模干扰，因此电源EMI滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成，如图5所示。
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图5  电源模块EMC外围推荐电路

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5、EMC干扰防护第四式——优质的电源模块
  @$ ~) |- Y1 C  A! u# _2 J1 c对于自主搭建的电源模块，不仅研发周期较长和生产成本较高，且产品的一致性与可靠性均难以保证，此时可以选用一款优质的电源模块进行产品设计。
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