Технология PCB - О конструкции импульсного источника питания на электромагнитную совместимость

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.

расчётное время the electromagnetic compatibility of the switching power supply, first carry out a system design and clarify the following points:

определение стандартов электромагнитной совместимости, которые должны соблюдаться системой;

2. Determine the key circuit parts in the system, including strong interference source circuits and highly sensitive circuits;

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

определение мер электромагнитной совместимости энергосистем.

One. анализ источников шумов в электродвигателе постоянного тока/DC converters

1. The reverse recovery of the diode causes noise interference

Power frequency rectifier diodes, high frequency rectifier diodes, freewheeling diodes, сорт. обычно используется для выключения питания. Потому что эти диоды работают в режиме переключения, as shown in the figure, пиковое напряжение VFP; время обратного восстановления trr в режиме пропускания диода до режима блокировки. During the reverse recovery process, из - за присутствия индуктивности упаковки диодов и индуктивности выводов, a reverse direction will occur. пик напряжения, due to the storage and recombination effects of minority carriers, восстанавливать ток IRP. This rapid current and voltage sudden change is the root cause of electromagnetic interference.

Current and voltage waveform

2. Electromagnetic interference occurs when the switch tube is switched on and off

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

вперёд, push-pull, преобразователь суммы, the current waveform flowing through the switch tube is similar to a rectangular wave under resistive load, и богатая высокочастотная составляющая. These high-frequency harmonics will cause strong electromagnetic interference. , в инверторе обратного возбуждения, the current waveform flowing through the switch tube is similar to a triangular wave when the resistive load is applied, и меньше высших гармоник. When the switching tube is turned on, из - за времени короткого выключения и индуктивности проводов в инверторной цепи, большой dv/будет генерировать напряжение dt - мутации и пика. When the switching tube is turned off, длительность выключения. Short, Это будет очень большой ди/dt sudden change and very high current spike, эти течения, voltage sudden change will produce very strong electromagnetic interference.

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. Periodic high-frequency pulse signals in the control circuit, высокочастотный импульсный сигнал, will produce high-frequency and high-order harmonics, Это создает электромагнитные помехи для окружающих схем.

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

6. очень важное значение имеет проектирование электропроводки. Unreasonable wiring will cause electromagnetic interference to pass through the coupling capacitance and distributed mutual inductance between the wires or radiate to adjacent wires, Таким образом, нормальное функционирование других схем.

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.

2. 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.

В - третьих, последствия электромагнитных помех

Electromagnetic interference will cause distortion of the transmission signal and affect the normal operation of the equipment. электромагнитные помехи высокой энергии, такие как гроза и электростатический разряд, могут повредить оборудование в серьезных случаях. для некоторых устройств, electromagnetic radiation can cause the leakage of important information.

В - четвертых, электромагнитная совместимость переключателей питания

после получения информации о внутренних и внешних источниках электромагнитных помех, we should also know that the three elements that form the electromagnetic interference mechanism are the propagation path and the disturbed equipment. поэтому, the electromagnetic compatibility design of the switching power supply mainly starts from the following three aspects: 1. уменьшение энергии электромагнитных помех для источника помех; 2. Cut off the interference propagation path; 3. повышать устойчивость помехоустойчивого оборудования.

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.

The following takes the isolated DC/на примере преобразователей постоянного тока обсуждается проектирование электромагнитной совместимости коммутаторов питания:

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. The electromagnetic compatibility design of the high frequency inverter circuit, as shown in the figure, схема изменения полумоста из С2, C3, V2, & V3, V2 and V3 are switching elements such as IGBT and MOSFET, Открытие и закрытие V2 и V3 при закрытии, из - за того, что выключатель работает быстро, а также из - за присутствия индуктивности на выводе и утечки трансформатора, the loop will produce higher di/Dt и dv/dt mutations, Это создает электромагнитные помехи. For this reason, Добавить R4 и дополнительный Четвертый компонент на одну боковую сторону трансформатора. To form an absorption loop, Конденсаторы С5 и С6, сопрягаемые друг с другом на двух концах V2 и V3, and shorten the lead to reduce the lead inductance of ab, cd, gh, и. In the design, C4, C5, С6 обычно используется низкоиндуктивный конденсатор. The size of the capacitor depends on the lead inductance, величина тока в цепи и допустимое перенапряжение. The formula LI2/2 = кубический сантиметр/2 Get the size of C, где L - индуктивность цепей, Я - ток цепи, and ³V is the overshoot voltage value.

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.

Comparison chart of switching tube current and voltage waveforms

с точки зрения проектирования с электромагнитной совместимостью, the switching frequency of the switching tubes V2 and V3 should be reduced as much as possible, сокращение прямых инвестиций/dt and dv/значение dt. Кроме того, применение технологии мягких переключателей ZCS или ZVS может эффективно снизить электромагнитные помехи высокочастотного инверторного контура. быстрое действие выключателя при большом токе или высоком напряжении является источником электромагнитного шума. поэтому, топология цепей, создающих как можно меньше электромагнитных шумов. например, при одинаковых условиях, двухтрубная положительная топология легче генерировать электромагнитный шум. маленький, электромагнитный шум от всей мостовой цепи меньше чем на полумостиковой цепи.

From the perspective of electromagnetic compatibility design, the switching frequency of the switching tubes V2 and V3 should be reduced as much as possible, сокращение прямых инвестиций/dt and dv/значение dt. Кроме того, the use of ZCS or ZVS soft switching technology can effectively reduce the electromagnetic interference of the high-frequency inverter loop. The fast switching action under high current or high voltage is the root of electromagnetic noise. поэтому, choose a circuit topology that produces less electromagnetic noise as much as possible. For example, при одинаковых условиях, a two-tube forward topology is more likely to produce electromagnetic noise than a single-tube forward topology. Small, электромагнитный шум от всей мостовой цепи меньше чем на полумостиковой цепи.

Как показано на диаграмме, сравнить формы тока и напряжения на трубке после добавления поглощающей цепи с волной, когда не добавлена абсорбирующая цепь.

Half-bridge inverter circuit

проектирование высокочастотных трансформаторов EMC

при проектировании высокочастотного трансформатора т1, try to choose magnetic core material with better electromagnetic shielding performance.

As shown in the figure, C7 and C8 are inter-turn coupling circuits, с11 конденсатор межобмоточной связи. When winding the transformer, сведение к минимуму высокочастотной интерференционной связи между первичной и вторичной обмотками трансформаторов. In addition, in order to further reduce electromagnetic interference, можно добавить экранирование между первичной обмоткой и вторичной обмоткой, заземление защитного слоя хорошее, so that coupling capacitors C9 and C10 are formed between the primary and secondary windings of the transformer and the shielding layer, and high-frequency interference currents pass C9 and C10 flow to the earth.

Since the transformer is a heating element, poor heat dissipation conditions will inevitably lead to an increase in the temperature of the transformer, thereby forming heat radiation. The heat radiation is transmitted in the form of electromagnetic waves. Therefore, the transformer must have good heat dissipation conditions.

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. EMC design of output rectifier circuit

The figure shows the output half-wave rectifier circuit, V6 - выпрямительный диод, and V7 is a freewheeling diode. работа V6 и V7 в режиме высокочастотных переключателей, the electromagnetic interference sources of the output rectifier circuit are mainly V6 and V7, R5, C12 It is connected with R6 and C13 to form the absorption circuit of V6 and V7 respectively, which is used to absorb the voltage spikes generated during the switching operation and dissipate it in the form of heat on R5 and R6.

уменьшение количества выпрямительных диодов может уменьшить энергию электромагнитных помех. Therefore, under the same conditions, the use of half-wave rectification circuits will produce less electromagnetic interference than the use of full-wave rectification and full-bridge rectification.

In order to reduce the electromagnetic interference of the diode, диодный прибор с мягким восстановлением, small reverse recovery current and short reverse recovery time must be selected. Theoretically speaking, Schottky barrier diodes (SBD) conduct majority carrier current, and there is no storage and recombination effect of minority carriers, so there will be no reverse voltage spike interference. диод Шотки с рабочим напряжением, as the thickness of the electronic barrier increases, ток обратного восстановления будет увеличен, and electromagnetic noise will also be generated. Therefore, when the output voltage is low, выбор диода Шотки в качестве постоянного диода.

Electromagnetic compatibility design of output rectifier circuit

6. EMC design of output DC filter circuit

output DC filter circuit is mainly used to cut off the propagation of electromagnetic conduction interference along the wire to the output load end, и уменьшать электромагнитное излучение вокруг проводов.

As shown in the figure, the LC filter circuit composed of L2, C17, and C18 can reduce the size of the output current and voltage ripple, thereby reducing the electromagnetic interference transmitted through radiation. фильтрующие конденсаторы C17 и C18 должны, насколько это возможно, быть соединены с несколькими конденсаторами. понижать эквивалентное последовательное сопротивление, thereby reducing the ripple voltage. The output inductance L2 should be as large as possible to reduce the size of the output ripple current. In addition, индуктивность L2 лучше использовать замкнутый сердечник без зазора, preferably not a saturated inductance. . When designing, Мы должны помнить, что электрический ток и напряжение на проводе изменяются, and there is a changing electromagnetic field around the wire, and the electromagnetic field will spread along the space to form electromagnetic radiation.

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 is a DC EMI filter. использование зависит от конкретной ситуации, whether it is a single-stage or multi-stage filter. However, it is required that Z3 be directly installed on a metal chassis. It is best that the input and output lines of the filter can be shielded and isolated.

электромагнитная совместимость выходной выпрямительной схемы

7. проектирование с электромагнитной совместимостьюof контактор, relays and other switching devices

After the power of relays, contactors, fans, etc., their coils will produce larger voltage spikes, which will cause electromagnetic interference. For this reason, схема поглощения диода или RC на двух концах обмотки постоянного тока, and connect a parallel at both ends of the AC coil. The varistor is used to absorb the voltage spike generated after the coil is powered off. At the same time, it should be noted that if the contactor coil power supply and the auxiliary power input power supply are the same power supply, it is best to pass an EMI filter between them. Electromagnetic interference will also be generated when the relay contacts are in action, so RC absorption loops should be added at both ends of the contacts.

8. The electromagnetic compatibility design of the switch power supply box structure

Material selection: There is no "magnetic insulation" material. электромагнитная защита использует принцип "магнитного короткого замыкания" для перекрытия пути распространения электромагнитных помех внутри устройства и на внешнем воздухе. при проектировании конструкции шкафа с питанием переключателей, it is necessary to fully consider the impact on electromagnetic interference

Shielding effectiveness, the principle of selection of shielding materials is that when the frequency of the interference electromagnetic field is high, использовать металл высокой проводимости, and the shielding effect is better; when the frequency of the interference electromagnetic wave is low, high-permeability metal materials should be used , лучше экранирование; В некоторых случаях, if a good shielding effect is required for both high-frequency and low-frequency electromagnetic fields, металлические материалы с высокой электропроводностью и высокой проницаемостью обычно используются для формирования многослойной защиты.

Hole, gap, overlap treatment method: The electromagnetic shielding method does not need to redesign the circuit, и добиться хороших электромагнитных совместимых эффектов. The ideal electromagnetic shielding body is a conductive continuum with no gaps, no holes, no penetration, металлический герметик с малым сопротивлением, but a completely sealed shielding body is of no practical value, because in the switching power supply equipment, there is input , Output line through holes, heat dissipation vents and other holes, as well as the overlapping gaps between the structural components of the box, if no measures are taken, electromagnetic leakage will occur, which will reduce the shielding effectiveness of the box or even completely lose it. Therefore, при проектировании коробки питания выключателя, it is best to use welding for the overlap between the metal plates. при невозможности сварки, use electromagnetic gaskets or other shielding materials. The openings on the box should be smaller than the wavelength of the electromagnetic wave to be shielded. 1/2, otherwise the shielding effect will be greatly reduced; for the ventilation holes, perforated metal plates or metalized wire mesh can be used when the shielding requirements are not high, and the cut-off waveguide should be used when high shielding efficiency and good ventilation effect are required. And other methods to improve the shielding effectiveness of the shield. Если эффективность защиты контейнера все еще не удовлетворяет требованиям, you can spray shielding paint on the box. In addition to shielding the entire cabinet of the switching power supply, it can also partially shield the internal components and parts of the power supply equipment such as interference sources or sensitive equipment.

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. EMC design in component layout and wiring:

The layout of the internal components of the switching power supply equipment must consider the requirements of electromagnetic compatibility as a whole. источник внутренних помех устройства будет влиять на работу других компонентов или компонентов через излучение и последовательное возмущение. Research has shown that at a certain distance from the interference source, the interference The energy of the source will be greatly attenuated, Таким образом, рациональное размещение поможет уменьшить воздействие 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.

Keep sensitive circuits or components away from heat sources.