PCB 기술 - 전원 스위치의 전자기 호환성 설계 정보

전력 전자 기술의 발전에 따라 스위치 전원 모듈은 전통적인 정류 전원을 대체하기 시작했으며 부피가 상대적으로 작고 효율이 높으며 운행이 믿을 만하기 때문에 사회 각 분야에 널리 응용되었다.그러나 스위치 전원의 작동 빈도가 높기 때문에 내부에 빠른 전류와 전압 변화, 즉 dvd/dt와 di/dt가 존재하기 때문에 스위치 전원 모듈은 강한 고조파 간섭과 최고봉 간섭을 발생시키고 전도를 통해복사와 직렬 교란 이런 결합 경로는 그 자체의 회로와 기타 전자 시스템의 정상적인 작업에 영향을 미치며, 물론 다른 전자 설비의 전자 교란의 영향을 받을 수도 있다.이것은 논의되는 전자기 호환성 문제이며 전원 공급 장치의 전자기 호환성을 스위치하는 전자기 간섭 EMD 및 전자기 민감성 EMS 설계 문제에 관한 것입니다.국가가 이미 일부 전자제품에 대해 3C 인증을 실시하기 시작했기 때문에, 한 전자설비가 전자기 호환성 표준에 부합하는지 여부는 이 제품이 시장에서 판매될 수 있는지에 영향을 줄 것이며, 따라서 스위치 전원에 대해 전자기 호환성 연구를 진행하는 것은 매우 중요하다.

전자기 호환성은 수학, 전자기장 이론, 안테나와 무선 전파 전파, 회로 이론, 신호 분석, 통신 이론, 재료 과학, 생물 의학 등 이론과 관련된 종합적인 학과이다.

스위치 전원 공급 장치의 전자기 호환성을 설계할 때 먼저 시스템 설계를 수행하고 다음 사항을 확인합니다.

1.시스템이 만족해야 할 전자기 호환성 기준을 명확히 한다;

2.강제 간섭원 회로와 고감도 회로를 포함한 시스템의 핵심 회로 부분을 확인한다;

3.전력 공급 설비 작업 환경의 전자기 간섭원과 민감한 설비를 식별한다;

4. 전력 공급 설비가 취해야 할 전자기 호환 조치를 확정한다.

하나DC/DC 변환기 내부 노이즈 소스 분석

1. 다이오드 역방향 회복으로 인한 소음 방해

스위치 전원에는 작업 주파수 정류 다이오드, 고주파 정류 다이오드, 속류 다이오드 등이 자주 사용된다.이 다이오드는 모두 스위치 상태에서 작동하기 때문에 그림과 같이 매우 높은 전압 피크 VFP;다이오드의 통과 상태에서 차단 작업까지의 역방향 복구 시간 trr가 있습니다.역방향 회복 과정에서 다이오드 패키징 센싱과 지시선 센싱의 존재로 인해 역방향이 나타납니다.소수의 캐리어의 저장 및 복합 효과로 인해 전압 피크 VRP는 순간적 역방향 복구 전류 IRP를 생성합니다.이런 빠른 전류와 전압의 돌연변이는 전자기 간섭의 근본 원인이다.

전류 및 전압 파형

2. 튜브 스위치 시 전자기 간섭 발생

다이오드 역방향 복구 시 전류와 전압 파형 다이오드 양방향 전류와 전압의 파형

양방향, 손잡이 및 브리지 변환기에서 스위치 튜브를 통과하는 전류 파형은 저항 부하의 직사각형 파와 유사하며 풍부한 고주파 분량을 포함합니다.이러한 고주파 고조파는 강한 전자기 간섭을 일으킬 수 있습니다.반격식 변환기에서 저항 부하를 가할 때 스위치관을 흐르는 전류파형은 삼각파와 유사하며 상대적으로 적은 고차공파 분량이 존재한다.스위치 튜브가 연결될 때, 스위치 시간이 짧고 인버터 회로에 지시선 감지가 존재하기 때문에, 큰 dV/dt 돌연변이와 피크 전압이 발생한다.스위치 튜브가 꺼졌을 때 꺼지는 시간이 매우 길다.단락할 때, 그것은 매우 큰 di/dt 돌연변이와 매우 높은 전류 최고봉을 생성하는데, 이러한 전류, 전압 돌연변이는 매우 강한 전자기 간섭을 발생시킨다.

3.감지기, 변압기 등 자성소자로 인한 전자간섭: 스위치전원에는 입력려과감지기, 전원변압기, 격리변압기, 출력려과전감 등 자성소자가 있다.격리변압기의 초급과 차급 사이에는 기생용량이 존재하며 고주파교란신호는 기생용량을 통과한다.두 번째 측면으로 결합하기;권선 과정 등의 원인으로 전력 변압기는 1차 측면과 2차 측면의 결합이 이상적이지 않아 누감이 발생한다.누설 전감은 전자기 복사의 방해를 일으킬 수 있다.이밖에 고주파펄스전류는 전력변압기의 코일을 거쳐 우회되여 고주파환경을 산생한다.전자기장: 센서에서 흐르는 맥동전류는 전자기장의 복사를 산생하며 부하가 갑자기 절단될 때 전압의 첨봉을 형성한다.동시에 포화 상태에서 작동하면 갑작스러운 전류 변화가 발생하여 전자기 간섭을 일으킨다.

4. 회로의 주기적인 고주파 펄스 신호를 제어한다. 예를 들어 발진기에서 발생하는 고주파 펄스 신호는 고주파와 고급 고조파를 발생시켜 주변 회로에 전자기 간섭을 일으킨다.

5.또한 회로에는 접지 회로 간섭, 공저항 결합 간섭, 전원 소음 간섭을 제어합니다.

6. 스위치 전원의 배선 설계가 매우 중요하다.배선이 불합리하면 전자기 간섭이 도선 사이의 결합 커패시터와 분포 상호 감각을 통과하거나 인접 도선에 복사되어 다른 회로의 정상적인 작동에 영향을 줄 수 있습니다.

7.열 복사로 인한 전자기 간섭.열복사는 전자파 형식의 열교환이다.이러한 전자기 간섭은 다른 전자 부품이나 회로의 정상적이고 안정적인 조작에 영향을 준다.

2. 외부 전자기 간섭

어떤 전자설비에 대하여 외부에서 초래한 전자기교란에는 전력망의 고조파교란, 천둥번개, 태양소음, 정전기방전 및 주위의 고주파전송설비로 인한 교란이 포함된다.

셋째, 전자기 간섭의 결과

전자기 간섭은 전송 신호의 왜곡을 초래하여 설비의 정상적인 운행에 영향을 줄 수 있다.천둥과 번개, 정전기 방전 등 고에너지 전자기 간섭은 심각한 경우 설비를 손상시킬 수 있다.일부 장치의 경우 전자기 복사는 중요한 정보의 유출을 초래할 수 있습니다.

4. 스위치 전원의 전자기 호환성 설계

스위치 전원의 내부와 외부 전자기 간섭원을 알게 된 후, 우리는 또한 전자기 간섭 메커니즘을 형성하는 세 가지 요소가 전파 경로와 피간섭 설비라는 것을 알아야 한다.따라서 스위치 전원의 전자기 호환성 설계는 주로 다음과 같은 세 가지 측면에서 착수한다: 1.간섭원의 전자기 간섭 에너지를 낮춘다;2.간섭 전파 경로를 차단한다;3. 방해받는 설비의 방해에 대한 저항력을 높인다.

스위치 전원의 전자기 간섭원 및 그 발생 기리와 간섭 전파 경로를 정확하게 이해하고 파악하는 것은 간섭 방지 조치를 취하여 설비가 전자기 호환성 요구를 만족시킬 수 있도록 하는 데 매우 중요하다.간섭원은 스위치 전원 공급 장치 내부에서 발생하는 간섭원도 있고 외부 간섭원도 있기 때문에 간섭원은 제거할 수 없고 피간섭 설비는 시종 존재하기 때문에 전자기 호환성 문제가 시종 존재한다고 말할 수 있다.

다음은 분리형 DC/DC 동글을 예로 들면 스위치 전원 공급 장치의 전자기 호환성 설계에 대해 설명합니다.

1. DC/DC 동글 입력 필터 회로 설계

그림에서 볼 수 있듯이 FV1은 순간 전압 억제 다이오드이고 RV1은 저항기이다.둘 다 강력한 순간적 서지 전류 흡수력을 갖추고 있어 서지 전압으로부터 후속 부품이나 회로를 보호할 수 있다.Z1은 직류 EMI 필터로 잘 접지되어야 하고 접지선이 짧아야 하며 금속 케이스에 직접 설치하는 것이 좋으며 입력과 출력 도선 사이의 차폐 격리를 확보하여 입력 도선에 따른 전도 방해의 전파를 효과적으로 차단해야 한다.방사선 교란이 공간을 따라 전파되다.L1과 C1은 저통 필터 회로를 형성한다.L1의 감응이 비교적 크면 그림에 표시된 V1과 R1의 분량을 더하여 속류회로를 형성하여 L1이 끊어질 때 방출되는 전장에네르기를 흡수해야 한다. 그렇지 않을 경우 L1의 전자기교란으로 인한 전압첨봉이 형성된다.센서 L1에 사용되는 코어는 닫힌 코어가 좋습니다.공기 갭이 있는 개폐 고리 코어의 누자장은 전자기 간섭을 일으킬 수 있다.C1의 용량이 더 좋기 때문에 입력선을 줄일 수 있습니다.입력 컨덕터의 텍스쳐 전압을 입력하여 입력 컨덕터 주위에 형성되는 전자장을 줄입니다.

DC/DC 동글 입력 필터 회로

2. 고주파 인버터 회로의 전자기 호환성 설계, 그림에서 볼 수 있듯이 C2, C3, V2 및 V3로 구성된 반다리 인버터 회로, V2 및 V3는 IGBT 및 MOSFET와 같은 스위치 소자로서 V2와 V3에서 인버터 및 인버터 누전감이 있습니다.루프는 더 높은 di/dt 및 dv/dt 돌연변이를 생성하여 전자기 간섭을 일으킵니다.따라서 변압기의 한 쪽 양 끝에 R4와 C4를 추가합니다.흡수 회로를 형성하거나 V2와 V3의 양쪽에 콘덴서 C5와 C6를 병렬하고 ab, cd, gh 및 ef의 지시선 감각을 줄이기 위해 지시선을 단축합니다.설계에서 C4, C5 및 C6는 일반적으로 저전감 콘덴서를 사용합니다.콘덴서의 크기는 지시선 감지, 회로의 전류 값 및 허용되는 과전압 값에 따라 달라집니다.공식 LI2/2 = C–³ V2/2는 C의 크기를 얻는데, 여기서 L은 루프 감지, I는 루프 전류, –V는 과전압 값이다.

³V 를 낮추기 위해서는 회로 지시선 감전을 낮출 필요가 있습니다.그래서 설계에'다층 저전감 복합 모선'이라는 장치를 자주 사용한다.감응이 10nH에 달할 정도로 충분히 작은 수준으로 낮아져 고주파 인버터 회로의 전자기 간섭을 줄이는 목적을 달성한다.

스위치관 전류와 전압 파형 대비도

전자기 호환성 설계의 관점에서 볼 때, 가능한 한 스위치 튜브 V2와 V3의 스위치 주파수를 낮추어 di/dt와 dv/dt 값을 낮춰야 한다.또한 ZCS 또는 ZVS 소프트 스위치 기술을 사용하면 고주파 인버터 회로의 전자기 간섭을 효과적으로 줄일 수 있습니다.높은 전류나 높은 전압에서의 빠른 스위치 동작은 전자기 소음의 근원이다.따라서 전자기 소음을 최소화하는 회로 토폴로지를 선택합니다.예를 들어, 같은 조건에서 양방향 토폴로지는 단방향 토폴로지보다 전자기 노이즈를 발생시킬 가능성이 더 큽니다.전교 회로는 부피가 작아서 발생하는 전자기 소음이 반교 회로보다 적다.

전자기 호환성 설계의 관점에서 볼 때, 가능한 한 스위치 튜브 V2와 V3의 스위치 주파수를 낮추어 di/dt와 dv/dt 값을 낮춰야 한다.또한 ZCS 또는 ZVS 소프트 스위치 기술을 사용하면 고주파 인버터 회로의 전자기 간섭을 효과적으로 줄일 수 있습니다.높은 전류나 높은 전압에서의 빠른 스위치 동작은 전자기 소음의 근원이다.따라서 전자기 소음을 최소화하는 회로 토폴로지를 선택합니다.예를 들어, 같은 조건에서 양방향 토폴로지는 단방향 토폴로지보다 전자기 노이즈를 발생시킬 가능성이 더 큽니다.전교 회로는 부피가 작아서 발생하는 전자기 소음이 반교 회로보다 적다.

그림과 같이 흡수회로를 추가한 후 스위치관의 전류와 전압 파형을 흡수회로가 없는 파형과 비교한다.

반다리 역변 회로

3. 고주파 변압기의 EMC 설계

고주파 변압기 T1을 설계할 때 가능한 한 전자기 차폐 성능이 비교적 좋은 자기 코어 재료를 선택한다.

그림에서 볼 수 있듯이 C7과 C8은 주행간 결합 회로이고 C11은 권선간 결합 콘덴서이다.변압기 권선 시 분산 콘덴서 C11을 최소화하여 변압기 1차 측면에서 2차 권선까지의 고주파 간섭의 결합을 줄인다.또한 전자기 간섭을 더욱 줄이기 위해 초급과 차급 권선 사이에 차폐층을 추가하고 차폐층이 잘 접지되어 변압기의 초급과 차급 코일과 차폐층 사이에 결합 콘덴서 C9과 C10을 형성할 수 있으며 고주파 간섭 전류가 C9와 C9를 통해 땅으로 흐른다.

변압기는 가열 소자이기 때문에 열 방출 조건의 차이는 불가피하게 변압기의 온도를 높여 열 복사를 형성할 것이다.열 복사는 전자파의 형식으로 전파된다.따라서 변압기는 반드시 양호한 열 방출 조건을 갖추어야 한다.

일반적으로 고주파 변압기는 알루미늄 케이스에 봉인되어 있다.알루미늄 박스는 또한 알루미늄 히트싱크에 장착 할 수 있으며 전자 실리콘을 충전하여 변압기가 더 나은 전자기 차단을 형성하고 더 나은 히트싱크 효과를 보장합니다.전자기 복사를 줄이다.

고주파 변압기의 EMC 설계

5. 정류 회로를 출력하는 EMC 설계

이 그림은 출력 반파 정류 회로를 보여주며 V6는 정류 다이오드, V7은 속류 다이오드다.V6와 V7이 고주파 스위치 상태에서 작동하기 때문에 출력 정류 회로의 전자기 간섭원은 주로 V6와 V7, R5, C12이다. 각각 R6와 C13과 연결되어 V6와 V7의 흡수 회로를 형성하며, 스위치 조작 과정에서 발생하는 전압의 최고봉을 흡수하고 열량 형태로 R5와 R6에서 소산된다.

정류 다이오드의 수를 줄이면 전자기 간섭의 에너지를 줄일 수 있다.따라서 같은 조건에서 반파 정류 회로를 사용하면 전파 정류와 전교 정류를 사용하는 것보다 전자기 간섭이 더 적게 발생한다.

다이오드의 전자기 간섭을 줄이기 위해서는 소프트 복구 특성이 있고 역방향 회복 전류가 적으며 역방향 회복 시간이 짧은 다이오드 부품을 선택해야 한다.이론적으로 쇼트 베이스 다이오드 (SBD) 는 다수의 캐리어 전류를 전도하며 소수의 캐리어의 저장 및 복합 효과가 존재하지 않기 때문에 역방향 전압 피크 간섭이 나타나지 않는다.작동 전압이 있는 쇼트키 다이오드의 경우 전자장벽 두께가 증가함에 따라 역회복 전류가 증가하고 전자기 소음도 발생한다.따라서 출력 전압이 낮을 때 쇼트키 다이오드를 직류 다이오드로 선택하면 발생하는 전자기 간섭은 다른 다이오드 부품을 선택하는 것보다 작을 것이다.

출력 정류 회로의 전자기 호환성 설계

6. DC 필터 회로를 출력하는 EMC 설계

출력 직류 필터 회로는 주로 전자기 전도 방해가 도선을 따라 출력 부하단으로 전파되는 것을 차단하고 도선 주위의 전자기 방해의 전자기 복사를 줄이는 데 사용된다.

그림에서 볼 수 있듯이 L2, C17 및 C18로 구성된 LC 필터 회로는 출력 전류와 전압 텍스처의 크기를 줄여 방사선을 통해 전송되는 전자기 간섭을 줄일 수 있습니다.필터 콘덴서 C17 및 C18은 가능한 한 여러 콘덴서와 병렬되어야 합니다.동등한 직렬 저항을 낮추어 문파 전압을 낮춘다.출력 감지 L2는 출력 문파 전류의 크기를 줄이기 위해 가능한 한 커야 한다.이밖에 전감 L2의 경우 기극이 없는 페환자기심을 사용하는것이 가장 좋으며 우선지는 포화전감이 아니다.설계할 때, 우리는 전선에 전류와 전압의 변화가 있고, 전선 주위에는 끊임없이 변화하는 전자장이 있으며, 전자장은 공간을 따라 전파되어 전자기 복사를 형성한다는 것을 기억해야 한다.

C19는 필터 라인의 공통 모드 간섭에 사용되며, 가능한 한 저전감 콘덴서를 사용하고, 접선이 짧아야 하며, C20, C21, C22, C23은 필터 출력 라인의 차형 간섭에 사용되며, 저전감 3단 콘덴서를 사용해야 하며, 접지선은 짧고 신뢰할 수 있어야 한다.

Z3는 DC EMI 필터입니다.이 필터의 사용 여부는 단일 또는 다중 필터에 따라 달라집니다.그러나 Z3는 금속 섀시에 직접 설치해야 합니다.필터의 입력과 출력 회선은 차단되고 격리되는 것이 가장 좋다.

출력 정류 회로의 전자기 호환성 설계

7. 접촉기, 계전기 등 스위치 장치의 전자기 호환성 설계

계전기, 접촉기, 선풍기 등에 전기가 들어오면 그 코일은 비교적 큰 전압첨봉을 산생하여 전자기교란을 일으킨다.따라서 직류 코일 양끝에는 다이오드나 RC가 회로를 흡수하고 교류 코일 양끝에는 병렬로 연결된다.저항기는 코일의 전원이 꺼지면 발생하는 전압 피크를 흡수하는 데 사용됩니다. 또한 접촉기 코일 전원과 보조 전원 입력 전원이 같은 전원이라면 이들 사이에서 EMI 필터를 통과하는 것이 좋습니다.릴레이 터치 동작 시에도 전자기 간섭이 발생하므로 터치 양 끝에 RC 흡수 회로를 늘려야 한다.

8. 스위치 전원 공급 장치 상자 구조의 전자기 호환성 설계

재료 선택: 자기 절연 재료가 없습니다.전자기 차단은"자기 합선"원리를 이용하여 전자기 간섭이 설비 내부와 외부 공기 중의 전파 경로를 차단했다.스위치 전원 공급 장치의 캐비닛 구조를 설계할 때 전자기 간섭에 대한 영향을 충분히 고려할 필요가 있다

차폐 효과, 차폐 재료의 선택 원칙은 전자장을 방해하는 주파수가 높을 때 전도성이 높은 금속 재료를 사용하여 차폐 효과가 더 좋다;전자파를 방해하는 주파수가 비교적 낮을 때는 자기전도도가 높은 금속재료를 사용하여 차단효과가 비교적 좋아야 한다.경우에 따라 고주파와 저주파 전자장이 모두 좋은 차폐 효과를 필요로 할 경우 일반적으로 높은 전도성과 높은 자기전도도를 가진 금속재료를 사용하여 다층 차폐를 형성한다.

구멍, 간격, 중첩 처리 방법: 전자기 차폐 방법은 회로를 재설계할 필요가 없으며 좋은 전자기 호환 효과를 얻을 수 있다.이상적인 전자기 차폐체는 무간극, 무구멍, 무관통의 전도성 연속체와 저임피던스 금속 밀봉체이지만, 완전히 밀봉된 차폐체는 실제 가치가 없다. 왜냐하면 스위치 전원 설비에는 입력, 출력선 통공, 방열 구멍 등의 구멍이 있기 때문이다.그리고 상자 구조 부품 사이의 중첩 간격은 조치를 취하지 않으면 전자기 누출이 발생하여 상자의 차단 효과를 떨어뜨리고 심지어 차단 효과를 완전히 잃게 된다. 따라서 스위치 전원 상자의 설계에서 금속판 사이의 중첩은 용접을 사용하는 것이 좋다.용접이 불가능할 경우 전자기 개스킷 또는 기타 차폐 재료를 사용합니다.상자의 개구는 차단할 전자파의 파장보다 작아야 한다.1/2, 그렇지 않으면 차폐 효과가 크게 감소합니다.통풍구의 경우 차폐 요구가 높지 않을 때는 천공 금속판이나 금속 실크스크린을 사용할 수 있으며, 차폐 효율이 높고 통풍 효과가 좋을 때는 마감 전도를 사용해야 한다.차폐 효과를 높이는 다른 방법도 있다.만약 상자의 차단 효과가 여전히 요구를 만족시키지 못한다면, 상자에 차단 페인트를 칠할 수 있다.전원 공급 장치를 스위치하는 캐비닛 전체를 차단할 수 있을 뿐만 아니라 전원 공급 장치의 내부 부품(예: 간섭 소스 또는 민감한 장치)도 부분적으로 차단할 수 있습니다.

캐비닛 구조를 설계할 때 정전기 방전 테스트를 수행할 장치의 모든 부품에 대해 저항 전류 방전 경로를 설계합니다.캐비닛에는 신뢰할 수 있는 접지 조치가 있어야 하며 접지선의 적재 능력을 보장해야 한다.또한 민감한 회로나 부품을 이러한 배출 회로에서 멀리 떨어뜨리거나 전장 차단 조치를 취한다.구조물의 표면처리에 있어서 일반적으로 은, 아연, 니켈, 크롬과 주석의 전기도금을 사용한다.이는 전도성, 전기 화학 반응, 비용 및 전자 호환성을 고려해야 합니다.

9. 컴포넌트 레이아웃 및 경로설정에서 MC 설계:

스위치 전원 장치 내부 구성 요소의 레이아웃은 전자기 호환성에 대한 전반적인 요구 사항을 고려해야 합니다.장비 내부의 간섭 소스는 방사선 및 직렬 간섭을 통해 다른 부품이나 어셈블리의 작동에 영향을 미칩니다.연구에 따르면 교란원으로부터 일정한 거리에서 교란원의 에네르기는 크게 감쇠되기에 합리적인 배치는 전자기교란의 영향을 줄이는데 도움이 될것이다.

EMI 입력 및 출력 필터는 금속 섀시의 입구에 설치하고 입력 및 출력 라인이 전자 환경과 차단 및 분리되도록 보장하는 것이 좋습니다.

민감한 회로나 부품을 열원에서 멀리 떨어뜨리다.