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1、,陶显芳 2017.03.23,EMC传导滤波电路的设计,什么是EMC,2, 1.0,EMC传导滤波电路的设计,EMI（Electromagnetic Interference 电磁干扰）是指任何能使其它设备或系统性能降级的电磁现象。,EMS（Electromagnetic Susceptibility 电磁耐受性）是指机器在执行应有功能的过程中可忍受周围电磁环境影响的能力（抗干扰能力）,EMC（ Electromagnetic Compatibility 电磁兼容）是指设备或系统在一定的电磁环境中，能符合要求运行的能力，并且不会对其它环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰。它包括两个方面的要
2、求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值（EMI）；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即对电磁干扰的敏感度（EMS） 。,1.1 什么是EMC,3,电磁干扰 EMI（ Electromagnetic Interference），有两种：传导干扰和辐射干扰。目前，产生电磁干扰的设备主要是设备中的开关电源。 传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号是通过导线或公共电源线进行传输，互相产生干扰。传导干扰又分共模干扰和差模干扰。 辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号是通过带电导体产生的电、磁感应产生的，通过电、磁感应可把某个电路网络中的干扰信
3、号传给另一个电路网络或电子设备。辐射干扰分电场辐射和磁场辐射。辐射干扰还可分近场辐射和远场辐射，近场辐射通过互相感应还可以把辐射干扰转化成共模传导干扰。 目前，传导干扰相对于辐射干扰来说，比较容易解决，只要增加电源输入电路中EMC滤波器的节数，并适当调整每节滤波器的参数，基本上都能满足要求；但对于辐射干扰，难度要大好多，主要原因是，开关电源的功率密度和工作频率以及其它电路的工作频率都在不断提高，辐射干扰也越来越严重，解决的方法一般都要对PCB板进行重新排板，或更改电路布局或结构。,4,1.2 电子线路中的电磁干扰,电磁感应是产生电磁干扰的主要原因。电磁干扰分电场干扰 EI（Electro In
4、terference）和磁场干扰 MI（magnetic Interference）两种。 电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能量的介质，它们的分布，充满整个宇宙空间，并且两者之间的能量可以互相转换；当某处电磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电磁场都需要重新进行分布，并以每秒钟30万公里的速度在真空中进行传播，因此，电、磁干扰无处不在。 产生电场干扰的基本原因，主要是带电物体的电荷在不断地进行重新分布，相当于两带电导体之间的分布电容在不断进行充放电；产生磁场干扰的基本原因，主要是流过导体中的电流大小和方向在不断改变，相当于两导体之间分布电感（互感）产生的磁通大小和方向在不断变化。 电磁感
5、应分电场感应和磁场感应，与电场感应相关的是分布电容，而与磁场感应相关的是分布电感，因此，深刻理解分布电容和分布电感的特性是解决EMI问题的关键。,1.3 电磁感应与电磁干扰,5,1.4 电场感应系数,6,带电物体在本质上就相当于一个充了电的电容，在它的周围会产生电场，并使周围的物体感应带电，而电容量C就相当于两个带电物体互相产生电场感应的系数。 图中，C0为自感系数，C1、C2为互感系数。 当带电体中的电荷进行重新分布时，带电导体中的位移电流也会产生不断变化。 ESD的本质就是两个孤立导体互相感应的过程。,；,1.5 电场感应系数与电容,C0、C1、C2在数值上分别为：,；,C0为带电物体A的
6、自感系数，表示它带电是相对于无限远处的0电位，如果把物体A看成是一个孤立电容，则其电容量就等于C0。 C1为带电物体A与带电物体B之间的互感系数； C2为带电物体A与带电物体C之间的互感系数。 我们也可以把物体B和物体C看出是一个孤立电容，但其电容量并不等于C1和C2，因为C1、C2不是物体B和物体C相对于无限远处的0电位，C1和C2应该被分别看成是物体B和物体C相对于物体A的分布电容的容量，这一点需要值得注意。,7,1.6 孤立导体的电容,在带电导体的周围空间会散发出电场，电场是一种具有能量的物质，它在真空中以每秒30万公里的速度向整个宇宙空间辐射。 设孤立导体带的电荷量为Q，电位为U，则电
7、荷量Q与电位U的关系可以写为：Q = CU 式中比例系数C是一个与电荷量和电位无关的常数，它与导体的几何形状和大小有关，所以人们把这个比例系数C称为孤立导体的电容（或自感系数）。电容的物理意义是带电导体每升高（或降低）单位电位（电压）所需要的电荷量。,孤立球导体的电容等于表面积除以半径：,把带电体当成一个电容看待，就可以对电路进行定性分析和定量计算。,地球相对于无限远处的电容量约为：708uF，相对于电离层大约为1.1F。,（对于无限远处）,8,1.7 电容与电容器,C1,C2,U1,U2,V,无限远,无限远,带负电,带正电,电容器可以看成是两个孤立导体的组合，其中一个带正电，另一个带负电。当
8、两带电体处于恒定电场之中时，两个孤立导体之间的电容为：,U2,U1,V,电容器的容量可以看作是两个带电物体的互感系数。,电容器就是两个带电导体产生的电场，相互感应的结果。,即，两个孤立导体之间的电容为：,8,相当于两个电容串联,，,，,想减小两电路之间电场相互干扰，最好的方法是减小电路之间的耦合系数，即减小两电路之间的耦合电容，也就是尽量减小带电导体的面积，及远离其它电路，两根互相干扰的导体尽量不要互相平行，以及降低工作频率。,1.8 电场感应干扰的等效电路,耦合系数,10,1.9 PCB板两导体产生的EMI串扰,10,多层PCB板布层原则： a. 元件面的下面（第二层）为地平面层（信号地），
9、应尽量利用地平面层对其它层进行电磁屏蔽； b. 所有信号层尽量与地平面层（信号地）相邻，不跨分割区； c. 尽量避免两信号层相邻； d. 无相邻平行布线层； e. 尽量把电源地与信号地分开； f. 电源层尽可能与其对应的地层（电源地）相邻。 下面是四层PCB板的几种优选方案：,一般可选方案1和3 。,1.10 多层PCB布板原则,12,1.11 电感线圈产生的电磁感应,e = d/dt = NSdB/dt = Ldi/dt ； e1 = M1di/dt , e2 = M2di/dt , 为磁通量，S为磁通面积，N为线圈匝数，B为磁感应强度，L0、L1、L为各线圈的电感量、M1、M2为互感。,1
10、3,当导体中有电流流过时，在导体的周围会产生磁场，并使周围的导体感应带电，而互感M就是两载流体互相产生此场感应的系数。,1.12 磁场感应干扰的等效电路,14,想减小两电路之间磁场相互干扰，最好的方法是减小电路之间的耦合系数K，即减小两电路之间的互感M，尽量减小两电流回路的面积，及远离其它电路，或降低工作频率，两根互相干扰的导体尽量不要互相平行。,K 耦合系数 M 互感,1.13 减小电流回路的面积是排除干扰的最佳选择,磁场辐射干扰主要是流过高频电流回路产生的磁通窜到接收回路中产生的，因此，要尽量减小流过高频电流回路的面积和接收回路的面积。,式中：e2、 2、S2、B2、M、i2 分别为辐射电
11、流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度、互感、回路感应电流。,15,式中：e1、 1、S1、B1、L、i1分别为辐射电流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度、分布电感、回路电流；,传导干扰详解,2,EMC传导滤波电路的设计, 2.0,17,我们可以把每个回路都看成是一个感应线圈，当某个回路中有电流流过时，另外一个回路中就会产生感应电动势，从而产生干扰。减少干扰的最有效方法就是尽量减少每个回路的有效面积，和降低干扰脉冲电压或电流的变化率（dv/dt或di/dt）；但降低电压或电流的变化率会增加开关管的功率损耗。图中i3、i4的电流回路是最大的干扰源，排板时应该尽量减小i3、i4的电流回路
12、的面积。,2.1 各电流回路之间产生串扰 ,18,当某个回路中有电流流过时，在另一个回路中就会产生感应电动势。 e1、e2、e3、e4 为差模干扰信号；e5、e6、e7、e8 为共模干扰信号。 共模信号的一端是整个线路板，另一端是大地。 线路板中的公共端不能算为接地，不要把公共端与外壳相接，除非机壳接大地，否则，公共端与外壳相接，会增大辐射天线的有效面积，共模辐射干扰更严重。 降低辐射干扰的方法，一个是对干扰源进行屏蔽，另一个是减小各个电流回路的面积（减小磁场干扰），和减小带电导体的面积及长度（降低电场干扰）。,2.1 各电流回路之间产生串扰 ,2.2 变压器漏磁对各电流回路产生电磁感应干扰,
13、19,在所有电磁感应干扰之中，变压器漏感产生的干扰是最严重的。如果把变压器的漏感看成是变压器感应线圈的初级，其它回路都可以看成是变压器的次级线圈，则在变压器周围的回路中，都会被感应产生干扰信号。除了变压器漏感之外，还有分布电容，当电流流过漏感与分布电容组成的回路时，会产生很高的di/dt和dv/dt值，从而使漏感产生的漏辐射更加严重。,减少干扰的方法，一个是减小变压器初级线圈的漏感，并对变压器进行磁屏蔽，另一个是尽量减少变压器初级线圈的分布电容；另一方面是尽量减少每个电流回路的有效面积，特别是要减小电源开关管电流回路的面积。,2.3 漏感与分布电容组成的电流回路容易产生辐射干扰,20,图中，U
14、为输入电压，Ls为变压器的漏感，Cs为变压器初级线圈的分布电容，由于Ls和Cs的时间常数相对于变压器初级线圈电感的时间常数比较小，因此流过Ls和Cs的电流速率相对比流过L1的电流速率高很多，当Q1导通和关断时，输入电压或电流的改变，都会使Ls和Cs、Cds产生谐振，使Ls和Cs、Cds两端的电压幅度比输入电压还要高。这种高频谐振不但会产生很强的电磁辐射，并且还会产生很高的尖峰脉冲电压，很容易把开关管击穿。,Q1导通时：, Q1关断 （4-18）,振荡频率：,；衰减因子：,Q1关断时：,振荡频率：,；衰减因子：, Q1导通 （4-17）,初级线圈的波形,分布电容的波形,开关管的波形,21,2.4
15、 漏感与分布电容产生冲击振荡,2.5 电磁辐射干扰的产生过程,电磁干扰一般都是由脉冲波产生，因为脉冲波形通过电磁感应很容易对其它回路激励起高频振荡，脉冲波形含有非常丰富的高次谐波，而高频振荡又会产生很强的电磁辐射。振荡频率的高低与脉冲波形的变化率有关，而幅度则与冲击脉冲的幅度和变化速率有关；还与冲击脉冲的重复频率以及相位有关，因为高频振荡的建立需要一个能量积累的过程，即，单个脉冲和多个脉冲对振荡回路的影响是不一样的。 辐射干扰一般是通过电、磁感应的形式在空间进行传播的，辐射源一般都是载流体，或产生电磁场的电流回路。载流体中的位移电流会产生很强的电磁辐射，特别是产生位移电流导体的长度正好等于半个
16、波长（或半个波长的整数倍）的时候，回路就会产生谐振（并联谐振或串联谐振），其振幅要比感应电压高很多。 位移电流在导体中产生辐射最强的地方是电源线，以及其它插排线，因为这些导体的长度比较长。,22,2.6 电磁场极化天线的原理,任何一根导线，不需要构成回路，只要周边存在电磁场，它就会被极化，并在体内产生位移电流，当电磁场变化的速率正好与位移电流的相位同步时，位移电流就会被增强，并产生谐振，天线就是这个工作原理。当电子设备中的导线长度超过20分之一波长时，就得考虑其天线的功能。电源线是产生电磁辐射干扰的最严重的部位。,23,2.7 减小变压器漏感产生辐射干扰的对策,用铜箔对变压器进行屏蔽,24,对变压器屏蔽，主要是减小变压器漏感产生的磁通对周围电路产生电磁感应干扰，以及对外产生电磁辐射干扰。 对变压器屏蔽，可用导磁良好软磁材料，直接对漏磁通进行屏蔽，也可以用导电性能良好的铜箔进行间接屏蔽；当交变漏磁通穿过铜箔的时候会在铜箔产生涡流，而涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，铜箔对磁通也可以起到很好的屏蔽作用。,2.
