Технология PCB - Проектирование электромагнитной совместимости импульсных источников питания

Импульсные модули питания с потенциально электроэлектронной техникой стали вытеснять традиционные выпрямительные источники питания и нашли широкое применение в различных сферах жизни общества благодаря своим относительно небольшим размерам, высокому КПД и надежной работе. Однако из-за высокой рабочей частоты импульсного источника питания, быстрого изменения внутреннего тока и напряжения,а именно dv/dt и di/dt, которые вызывают сильные гармонические и пиковые помехи в модуле импульсного источника питания, проходная проводимость, излучение и перекрестные помехи. Такие пути связи влияют на нормальную работу его собственной схемы и других электронных систем, и, конечно же, на него также будут влиять электромагнитные помехи от другого электронного оборудования. Это обсуждаемый вопрос электромагнитной совместимости,а также проблема проектирования электромагнитных помех EMD и электромагнитной восприимчивости EMS в отношении электромагнитной совместимости импульсного источника питания. С тех пор, как государство приступило к сертификации некоторых электронных продуктов 3с, соответствие электронного устройства стандартам электромагнитной совместимости повлияет на возможность продажи этого продукта на рынке, поэтому очень важно проводить исследования электромагнитной совместимости импульсных источников питания.

электромагнитная совместимость это комплексная дисциплина, охватывающая такие теории, как математика, теория электромагнитного поля, распространение антенн и радиоволн, теория схем, анализ сигналов, теория связи, материаловедение, биомедицина и т.д.

В расчётное время электромагнитной совместимости импульсного источника питания, сначала выполните проектирование системы и уточните следующие моменты:

1.определение стандартов электромагнитной совместимости, которые должны соблюдаться системой;

2.Определите ключевые части схемы в системе, включая схемы источников сильных помех и высокочувствительные схемы;

3.определение источников электромагнитных помех и чувствительных устройств в рабочей среде энергоустановок;

4.определение мер электромагнитной совместимости энергосистем.

Анализ источников шума в двигателях постоянного тока/преобразователях постоянного тока

1.обратное восстановление диода вызывает шумовые помехи

Выпрямительные диоды силовой частоты, высокочастотные выпрямительные диоды, диоды свободного выпрямления, как правило, используются для отключения источника питания.Поскольку эти диоды работают в режиме переключения,как показано на рисунке, пиковое напряжение VFP;время обратного восстановления trr в диоде переходит в режим блокировки. Во время процесса обратного восстановления,из-за наличия индуктивности упаковки диода и индуктивности вывода, произойдет обратное направление. пикового напряжения, из-за эффектов хранения и рекомбинации минорных носителей, восстанавливается ток IRP. Это быстрое резкое изменение тока и напряжения является основной причиной электромагнитных помех.

2.электромагнитные помехи возникают при включении и выключении трубки переключателя

прямой ток и форма напряжения на диодах в период обратного восстановления диода

Прямой, импульсный, суммирующий преобразователь, форма волны тока, протекающего через коммутирующую трубку, похожа на прямоугольную волну под резистивной нагрузкой, и насыщена высокочастотной составляющей. Эти высокочастотные гармоники будут вызывать сильные электромагнитные помехи. Когда форма волны тока, протекающего через переключающую трубку, похожа на треугольную волну при резистивной нагрузке, и меньшее количество высокочастотных гармоник будет вызывать сильные электромагнитные помехи. Когда коммутационная трубка включена, из-за короткого времени выключения и индуктивности проводов в цепи инвертора большое dv/ будет генерировать dt-мутацию и пиковое напряжение. Когда коммутационная трубка выключается, продолжительность выключения. Короткий, Это будет очень большой d/dt внезапное изменение и очень высокий всплеск тока, эти токи, напряжение внезапное изменение будет производить очень сильные электромагнитные помехи.

3.электромагнитные помехи, вызываемые магнитными элементами, такими как индуктивность, трансформаторы и т.д. Существует паразитная емкость между первичными и вторичными трансформаторами, сигналы высокочастотной интерференции проходят через паразитную емкость. соединение на вторую сторону; из - за технологии обмотки и других причин, первая и вторая боковая связь электрических трансформаторов не идеальна, что вызывает ощущение утечки. чувство утечки вызывает электромагнитные помехи. Кроме того, высокочастотный импульсный ток протекает через обмотки электрических трансформаторов, что приводит к высокочастотной среде. электромагнитное поле: пульсирующий ток через индуктор вызывает электромагнитное излучение, и при внезапном отключении нагрузки образуется пик напряжения. В то же время, когда он работает в режиме насыщения, он вызывает мутацию тока и, следовательно, электромагнитные помехи.

4.Периодические высокочастотные импульсные сигналы в цепи управления, высокочастотный импульсный сигнал, будет производить высокочастотные и высокого порядка гармоники, это создает электромагнитные помехи для окружающих цепей.

5.Кроме того, в цепи будут находиться помехи от цепи заземления, помехи от связи с общим сопротивлением и помехи от шума источника питания.

6.Конструкция проводки очень важна. Непродуманная проводка приведет к тому, что электромагнитные помехи будут проходить через емкость связи и распределенную взаимную индуктивность между проводами или излучаться в соседние провода, тем самым нарушая нормальное функционирование других цепей.

7.электромагнитные помехи от теплового излучения. теплоизлучение происходит в форме электромагнитных волн. Такие электромагнитные помехи влияют на нормальное и стабильное функционирование других электронных элементов или схем.

Форма тока и напряжения

Внешние электромагнитные помехи

для электронного оборудования к числу электромагнитных помех, создаваемых извне, относятся: гармонические помехи в сети, гром, солнечный шум, электростатический разряд и помехи, создаваемые периферийными высокочастотными излучателями.

Последствия электромагнитных помех

Электромагнитные помехи приводят к искажению сигнала передачи и влияют на нормальную работу оборудования. электромагнитные помехи высокой энергии, такие как молния и электростатический разряд, могут повредить оборудование в серьезных случаях. для некоторых устройств электромагнитное излучение может привести к утечке важной информации.

конструкция импульсного источника питания с учетом электромагнитной совместимости

После понимания внутренних и внешних источников электромагнитных помех импульсного источника питания мы также должны знать, что три элемента, формирующие механизм электромагнитных помех, - это путь распространения и нарушенное оборудование. Поэтому проектирование электромагнитной совместимости импульсного источника питания в основном начинается со следующих трех аспектов: 1. Уменьшить энергию электромагнитных помех источника помех; 2. Пресечь путь распространения помех; 3. Улучшить антипомеховую способность нарушенного устройства.

правильное понимание и освоение источников электромагнитных помех, а также их механизмов и каналов распространения, имеющих отношение к переключателю, имеет важное значение для принятия мер по борьбе с помехами, с тем чтобы оборудование отвечало требованиям электромагнитной совместимости. Поскольку источник помех имеет как источник помех, создаваемый внутри переключателя, так и внешний источник помех, можно сказать, что источник помех не может быть устранен, и устройство помех всегда существует, поэтому можно сказать, что проблема электромагнитной совместимости всегда существует.

Ниже на примере изолированного DC/DC-преобразователя рассматривается конструкция импульсного источника питания с точки зрения электромагнитной совместимости:

1.DC / DC датчик входной схемы фильтра

Как показано на диаграмме, FV1 - это диод, на котором подавляется переходное напряжение, а RV1 - реостат. обе стороны обладают высокой способностью поглощения тока волны в переходном режиме, которая защищает последующий элемент или цепь от повреждения напряжения волны. Z1 является фильтром EMI постоянного тока, который должен быть хорошо заземлен, заземленный провод должен быть коротким, желательно непосредственно установлен на металлической оболочке, необходимо обеспечить экранную изоляцию между входными и выходными линиями, с тем чтобы эффективно перекрыть распространение помех проводимости вдоль входной линии. радиационные помехи распространяются по космосу. L1 и C1 образуют низкочастотный фильтр. Если индуктивность L1 является более высокой, то компоненты V1 и R1, показанные на рисунке, образуют контур авторотации, поглощающий энергию электрического поля, высвобожденную при отключении L1, в противном случае образуются пики напряжения, вызванные электромагнитными помехами L1. индуктор L1 предпочитает замкнутый сердечник. магнитное поле рассеяния с зазором вызывает электромагнитные помехи. емкость C1 лучше, поэтому можно уменьшить входную строку. входное напряжение на линии, таким образом, уменьшает электромагнитное поле, образующееся вокруг входной линии.

входной фильтр преобразователя DC / DC

2.Дизайн электромагнитной совместимости схемы высокочастотного инвертора, как показано на рисунке, полумостовая схема инвертора состоит из C2, C3, V2 и V3, V2 и V3 являются переключающими элементами, такими как IGBT и MOSFET, которые включаются и выключаются на V2 и V3 При выключении, из-за быстрого времени переключения и наличия индуктивности свинца и индуктивности утечки трансформатора, контур будет производить более высокие di/dt и dv/dt мутации, которые вызовут электромагнитные помехи. По этой причине R4 и C4 добавляются на обоих концах первичной обмотки трансформатора. Чтобы сформировать контур поглощения, или подключить конденсаторы C5 и C6 параллельно на обоих концах V2 и V3, и укоротить провода, чтобы уменьшить индуктивность проводов ab, cd, gh, и ef. В конструкции C4, C5 и C6 обычно используются конденсаторы с низкой индуктивностью. Размер конденсатора зависит от индуктивности провода, величины тока в контуре и допустимого значения напряжения перегрузки. Формула LI2/2=C△V2/2 определяет размер C, где L - индуктивность контура, I - ток контура, а △V - значение напряжения перегрузки.

для снижения ^ вв необходимо снизить индуктивность проводов. Поэтому в проектировании часто используется устройство, называемое "многослойная низкоиндуктивная комплексная шина". индуктивность снижается до достаточно небольшого уровня до 10nH, чтобы достичь цели уменьшения электромагнитных помех в цепи высокочастотных инверторов.

Сравнительная диаграмма осциллограмм тока и напряжения коммутационной трубки

С точки зрения электромагнитной совместимости частота переключения коммутационных трубок V2 и V3 должна быть максимально снижена, что позволит уменьшить значения di/dt и dv/dt. Кроме того, использование технологии плавного переключения ZCS или ZVS может эффективно снизить электромагнитные помехи высокочастотного инверторного контура. Быстрое переключение при большом токе или высоком напряжении является причиной электромагнитных помех. Поэтому выбирайте такую топологию цепи, которая создает как можно меньше электромагнитных помех. Например, при одинаковых условиях двухтрубная топология прямого хода с большей вероятностью будет создавать электромагнитные шумы, чем однотрубная топология прямого хода. Небольшая полномостовая схема генерирует меньше электромагнитных шумов, чем полумостовая.

С точки зрения электромагнитной совместимости частота переключения коммутационных трубок V2 и V3 должна быть максимально снижена, что позволит уменьшить значения di/dt и dv/dt. Кроме того, использование технологии плавного переключения ZCS или ZVS может эффективно снизить электромагнитные помехи высокочастотного инверторного контура. Быстрое переключение при большом токе или высоком напряжении является причиной электромагнитных помех. Поэтому выбирайте такую топологию цепи, которая создает как можно меньше электромагнитных помех. Например, при одинаковых условиях двухтрубная топология прямого хода с большей вероятностью будет создавать электромагнитные шумы, чем однотрубная топология прямого хода. Небольшая полномостовая схема генерирует меньше электромагнитных шумов, чем полумостовая.

Как показано на рисунке, осциллограммы тока и напряжения на коммутационной трубке после добавления поглощающей цепи сравниваются с осциллограммами без поглощающей цепи.

Схема полумостового инвертора

3.проектирование высокочастотных трансформаторов EMC

При проектировании высокочастотного трансформатора t1 старайтесь выбирать материал магнитопровода с наилучшими характеристиками электромагнитного экранирования.

Как показано на рисунке, C7 и C8 являются межвитковыми цепями связи, а C11 - межобмоточным конденсатором связи. При намотке трансформатора минимизируйте распределенный конденсатор C11, чтобы уменьшить связь высокочастотных помех от первичной обмотки трансформатора ко вторичной обмотке. Кроме того, для дальнейшего снижения электромагнитных помех между первичной и вторичной обмотками может быть добавлен экранирующий слой, причем экранирующий слой хорошо заземлен, так что между первичной и вторичной обмотками трансформатора и экранирующим слоем образуются конденсаторы связи C9 и C10, а токи высокочастотных помех через C9 и C10 стекают на землю.

4.Поскольку трансформатор является нагревательным элементом, плохие условия отвода тепла неизбежно приведут к повышению температуры трансформатора, в результате чего образуется тепловое излучение. Тепловое излучение передается в виде электромагнитных волн. Поэтому трансформатор должен иметь хорошие условия теплоотвода.

обычно высокочастотные трансформаторы упаковываются в алюминиевый корпус. алюминиевая коробка также может быть установлена на алюминиевом радиаторе и наполнена электронным силиконовым клеем, чтобы трансформаторы стали более эффективными электромагнитными экранами для обеспечения более эффективного теплоотдачи. уменьшить электромагнитное излучение.

проектирование электромагнитной совместимости высокочастотных трансформаторов

5.Проектирование схемы выходного выпрямителя с учетом электромагнитной совместимости

На рисунке показана схема выходного полуволнового выпрямителя, V6 - выпрямительный диод, а V7 - диод свободного хода. Работа V6 и V7 в режиме высокочастотных переключателей, источниками электромагнитных помех в цепи выходного выпрямителя являются в основном V6 и V7, R5, C12 соединен с R6 и C13, образуя цепь поглощения V6 и V7 соответственно, которая используется для поглощения скачков напряжения, возникающих при переключении, и рассеивания их в виде тепла на R5 и R6.

Уменьшение количества выпрямительных диодов позволяет снизить энергию электромагнитных помех. Поэтому при одинаковых условиях использование схем полуволнового выпрямления будет создавать меньше электромагнитных помех, чем использование схем полноволнового выпрямления и полномостового выпрямления.

Чтобы уменьшить электромагнитные помехи диода, необходимо выбрать диодный прибор с мягким восстановлением, малым током обратного восстановления и коротким временем обратного восстановления. Теоретически диоды с барьером Шоттки (SBD) проводят ток большинства носителей, а эффект накопления и рекомбинации минорных носителей отсутствует, поэтому помехи в виде скачка обратного напряжения не будет. Диод Шотки с рабочим напряжением, по мере увеличения толщины электронного барьера, ток обратного восстановления будет увеличен, и электромагнитный шум также будет генерироваться. Поэтому, когда выходное напряжение низкое, выбор диода Шотки в качестве постоянного диода.

Проектирование схемы выходного выпрямителя по электромагнитной совместимости

6.ЭМС-конструкция выходной цепи фильтра постоянного тока

Выходная цепь фильтра постоянного тока в основном используется для отсечения распространения электромагнитных помех по проводу к выходному концу нагрузки, и уменьшать электромагнитное излучение вокруг проводов.

Как показано на рисунке, схема LC-фильтра, состоящая из L2, C17 и C18, позволяет уменьшить величину пульсаций выходного тока и напряжения, тем самым снижая электромагнитные помехи, передаваемые через излучение. конденсаторы фильтра C17 и C18 должны быть подключены к нескольким конденсаторам, насколько это возможно. уменьшить эквивалентное последовательное сопротивление, тем самым снижая пульсации напряжения. Выходная индуктивность L2 должна быть как можно больше, чтобы уменьшить величину выходного тока пульсаций. Кроме того, индуктивность L2 предпочтительно должна быть замкнутым сердечником без зазора, желательно не насыщенным. При проектировании необходимо помнить, что электрический ток и напряжение на проводе изменяются, и вокруг провода изменяется электромагнитное поле, и электромагнитное поле будет распространяться по пространству, образуя электромагнитное излучение.

с19 для подавления сопутствующего модуля на фильтровых проводах используется, насколько это возможно, низкоиндуктивный конденсатор с короткой линией подключения, с20, с21, с22 и С23 для устранения диверсионных помех на линии фильтра, при этом следует использовать низкоиндуктивный трехполюсный конденсатор, заземляющий провод должен быть коротким и надежным.

Z3 - это фильтр электромагнитных помех постоянного тока. Использование зависит от конкретной ситуации, будь то одноступенчатый или многоступенчатый фильтр. Однако требуется, чтобы Z3 был установлен непосредственно на металлическое шасси. Лучше всего, если входные и выходные линии фильтра будут экранированы и изолированы.

электромагнитная совместимость выходной выпрямительной схемы

7.Проектирование с учетом электромагнитной совместимости контакторов, реле и других коммутационных устройств

После включения реле, контакторов, вентиляторов и т.д. их катушки будут создавать большие скачки напряжения, что вызовет электромагнитные помехи. По этой причине схема поглощения диода или RC на двух концах обмотки постоянного тока, и подключить параллельно на обоих концах катушки переменного тока. Варистор используется для поглощения скачка напряжения, возникающего после отключения питания катушки. В то же время следует отметить, что если источник питания катушки контактора и источник питания дополнительного входа питания являются одним и тем же источником питания, то лучше всего установить между ними фильтр электромагнитных помех. Электромагнитные помехи будут возникать и при работе контактов реле, поэтому на обоих концах контактов следует установить RC-поглощающие контуры.

8.Электромагнитная совместимость конструкции коробки питания выключателя

Выбор материала: В электромагнитной защите используется принцип «магнитного короткого замыкания» для блокирования пути электромагнитных помех внутри устройства и в наружном воздухе. при проектировании конструкции распределительного шкафа необходимо полностью учитывать влияние на электромагнитные помехи

Эффективность экранирования, принцип выбора экранирующих материалов заключается в том, что когда частота электромагнитного поля помех высока, следует использовать металл с высокой проводимостью, и эффект экранирования будет лучше; когда частота электромагнитных волн помех низкая, следует использовать высокопроницаемые металлические материалы, лучше экранирующие; В некоторых случаях, если требуется хороший эффект экранирования как высокочастотных, так и низкочастотных электромагнитных полей, обычно используются металлические материалы с высокой проводимостью и высокой проницаемостью для формирования многослойной защиты.

Метод обработки отверстий, зазоров, перекрытий: Метод электромагнитного экранирования не требует перепроектирования схемы, и добиться хороших электромагнитных совместимых эффектов. Идеальное электромагнитное экранирующее тело представляет собой проводящий континуум без зазоров, без отверстий, без проникновения, металлический герметик с малым сопротивлением, но полностью герметичное экранирующее тело не имеет практической ценности, так как в импульсных источниках питания, есть входные, выходные линии, сквозные отверстия, вентиляционные отверстия для отвода тепла и другие отверстия, а также перекрывающиеся зазоры между структурными компонентами коробки, если не принять меры, произойдет электромагнитная утечка, которая снизит эффективность экранирования коробки или даже полностью ее потеряет. Поэтому при проектировании коробки питания выключателя лучше всего использовать сварку для перекрытия между металлическими пластинами. 

При невозможности сварки используйте электромагнитные прокладки или другие экранирующие материалы.Отверстия в коробке должны быть меньше длины волны экранируемой электромагнитной волны.1/2, иначе эффект экранирования будет значительно снижен; для вентиляционных отверстий можно использовать перфорированные металлические пластины или металлизированную проволочную сетку, если требования к экранированию невысоки, а отсекающий волновод следует использовать, если требуется высокая эффективность экранирования и хороший эффект вентиляции.И другие методы повышения эффективности экранирования.Если эффективность защиты контейнера все еще не удовлетворяет требованиям, можно распылить на коробку экранирующую краску. Помимо экранирования всего корпуса импульсного блока питания, она также может частично экранировать внутренние компоненты и части оборудования блока питания, такие как источники помех или чувствительное оборудование.

при проектировании конструкций шкафов для всех частей оборудования, которое будет подвергнуто статическому разряду, проектируется путь к низкоомному току. цистерны должны иметь надежные меры заземления и обеспечивать пропускную способность заземления. В то же время изолировать чувствительные схемы или компоненты от таких схем выпуска или использовать для них защитные меры электрического поля. для обработки поверхности структурных деталей обычно используются электролитическое серебро, цинк, никель, хром и олово. для этого необходимо учитывать электропроводность, электрохимическую реакцию, затраты и электромагнитную совместимость.

9.Проектирование электромагнитной совместимости при компоновке и подключении компонентов:

При компоновке внутренних компонентов импульсных источников питания необходимо учитывать требования электромагнитной совместимости в целом. источник помех в устройстве будет влиять на работу других компонентов или узлов путем излучения и последовательного возмущения. Исследования показали, что на определенном расстоянии от источника помех, энергия помех источника будет значительно ослаблена, таким образом, рациональная компоновка поможет уменьшить влияние электромагнитных помех.

желательно установить фильтр ввода и вывода EMI на входе в металлический корпус и обеспечить, чтобы входные и выходные линии были отделены от электромагнитной защиты и изоляции окружающей среды.

Держите чувствительные схемы и компоненты вдали от источников тепла.