スイッチング電源のEMI試験における一般的な問題

現在、電子製品の電磁適合性の問題はますます注目を集めています。 世界の特に先進国では、完全な電磁両立性システムが形成されています。 同時に、わが国も 電磁両立性 システム。 したがって、の実現 EMIテスト 製品の価値は国際市場に参入するためのパスポートです。 LISUN EMIテストシステム EMI-9KB 完全に会います CISPR15:2018, CISPR16-1, GB17743、FCC、 EN55015 & EN55022.

スイッチング電源の場合、スイッチング管と整流管は高電流と高電圧の条件下で動作するため、外界に強い電磁干渉を引き起こすため、スイッチング電源の伝導放出と電磁放射放出はより多くなります。他の製品より難しい。 電磁適合性を達成するためですが、スイッチング電源によって発生する電磁干渉の原理を明確に理解していれば、伝導性エミッション レベルと放射性エミッション レベルを電磁適合性を達成するのに適切なレベルに下げるための適切な対策を見つけることは難しくありません。デザイン。

スイッチング電源における電磁妨害の発生メカニズムと伝搬方法
パワー スイッチング デバイスの高いスイッチング動作が主な原因です。 電磁干渉 (EMI) スイッチング電源で。 スイッチング周波数の増加は、一方で電源のサイズと重量を減らし、より深刻な問題につながります。 EMI 一方で問題。 電磁妨害 スイッチング電源では、次のXNUMXつのタイプに分けられます。 伝導干渉 & 放射干渉。 通常 伝導干渉 よりよく分析され、回路理論と数学的知識を組み合わせて、電磁干渉におけるさまざまなコンポーネントの特性を研究できます。 しかし、放射干渉の場合、回路内のさまざまな干渉源の包括的な影響により、電磁界理論にも関係し、分析がより困難になります。 この XNUMX つの干渉のメカニズムを以下に簡単に紹介します。 伝導性干渉は、コモン モード (Common Mode-CM) 干渉とディファレンシャル モード (Differential Mode-DM) 干渉に分けることができます。 寄生パラメータの存在と、スイッチング電源内のスイッチング デバイスの高周波ターンオンおよびターンオフにより、スイッチング電源はその入力で大きな同相モード干渉と差動モード干渉を生成します (つまり、 ACグリッド側）。

コモンモード (CM) 干渉
コンバーターが高い周波数で動作する場合、高い dv/dt により、トランス コイル間およびスイッチ チューブとヒートシンク間の寄生容量が励起され、コモン モード干渉が発生します。
コモンモード干渉の原理に従って、実際のアプリケーションでは次の抑制方法がよく使用されます。
1. 回路コンポーネントのレイアウトを最適化して、寄生容量と結合容量を最小限に抑えます。
2.スイッチのオンとオフの時間を遅らせます。 しかし、これは高周波スイッチング電源のトレンドとは相容れません。
3. スナバ回路を適用して、dv/dt の変化率を遅くします。

差動モード (DM) 干渉
スイッチング コンバータの電流は高周波でスイッチングされるため、入力および出力フィルタ コンデンサの di/dt が高くなります。つまり、フィルタ コンデンサの等価インダクタンスまたはインピーダンスに干渉電圧が誘導されます。 このとき、ディファレンシャルモード干渉が発生します。 したがって、高品質のフィルタ コンデンサ (等価インダクタンスまたはインピーダンスが非常に低い) を選択すると、ディファレンシャル モード干渉を低減できます。

放射干渉の生成と伝搬
放射干渉 さらに近接場干渉（測定点と場源との距離＜λ/6（λは干渉電磁波の波長））と遠距離場干渉（測定点と場源との距離＞λ/6）に分けることができます。 ）。 マクスウェルの電磁界理論によれば、導体内の変化する電流は、その周囲の空間に変化する磁場を生成し、それが変化する電場を生成します。どちらもマクスウェルの方程式に従います。 この変化する電流の大きさと周波数によって、生成される電磁界の大きさと範囲が決まります。 放射線の研究では、アンテナは電磁放射線の発生源です。 スイッチング電源回路では、主回路の部品と接続をアンテナとみなすことができ、電気双極子と磁気双極子の理論を適用して解析できます。 分析では、ダイオード、スイッチング管、コンデンサなどを電気双極子と見なすことができます。 誘導コイルは磁気双極子と見なすことができ、関連する電磁場理論を使用して包括的な分析を実行できます。

スイッチング電源が動作しているとき、その内部の電圧と電流の波形は非常に短い時間で上昇および下降します。 したがって、スイッチング電源自体がノイズ源となります。 スイッチング電源によって生成される干渉は、ノイズ干渉源のタイプに応じて、ピーク干渉と高調波干渉の XNUMX つのタイプに分けることができます。 結合経路によって分けると、伝導干渉と放射干渉のXNUMX種類に分けることができます。 電源によって生成された干渉が電子システムと電力グリッドに害を及ぼすのを防ぐ基本的な方法は、ノイズ源を弱めるか、電源ノイズと電子システムと電力グリッドの間の結合経路を遮断することです.

ノイズの干渉源に応じて分けて説明
1.ダイオードの逆回復時間による干渉
AC入力電圧はパワーダイオード整流ブリッジにより正弦波の脈動電圧に変換され、コンデンサにより平滑されて直流となりますが、コンデンサ電流の波形は正弦波ではなくパルス波となります。 電流波形を見ると、電流に高調波が含まれていることがわかります。 大量の電流高調波成分が電力網に流れ込み、電力網に高調波汚染を引き起こす。 また、電流がパルス波であるため、電源の入力力率が低減されます。 高周波整流回路の整流ダイオードが順導通すると、大きな順電流が流れます。 逆バイアス電圧によってオフになると、PN 接合にさらに多くのキャリアが蓄積されるため、電流が流れているキャリアが消えるまでの一定期間、電流が逆方向に流れ、その結果、急激な電流が流れます。キャリア消失の逆回復電流の減少と大きな電流変化（di/dt）。

2. スイッチ管動作時に発生する高調波干渉
電源スイッチ管をオンにすると、大きなパルス電流が流れます。 例えば、フォワード型、プッシュプル型、ブリッジ型コンバータの入力電流波形は、抵抗負荷時の矩形波に近く、高次高調波成分を多く含みます。 ゼロ電流、ゼロ電圧スイッチングを使用すると、この高調波干渉は最小限に抑えられます。 さらに、電源スイッチ管のオフ期間中に高周波トランス巻線の漏れインダクタンスによって引き起こされる電流の急激な変化も、ピーク干渉を生成します。

3. AC入力回路による干渉
電源周波数変換器のないスイッチング電源の入力端の整流管は、逆回復期間中に高周波減衰発振を引き起こし、干渉を引き起こします。 スイッチング電源によって生成されるピーク干渉および高調波干渉エネルギー、スイッチング電源の入力および出力ラインを介して形成される干渉は、伝導干渉と呼ばれます。 また、高調波および寄生振動のエネルギーは、入力ラインと出力ラインを介して伝搬されると、空間になります。 電場と磁場を生成します。 によって生成されるこの干渉 電磁放射 放射干渉と呼ばれます。

4.その他の理由
コンポーネントの寄生パラメータとスイッチング電源の回路図設計は完全ではありません。 プリント回路基板 (PCB) の配線は通常手作業で配置されるため、ランダム性が非常に高くなります。 PCB の近距離干渉は大きく、取り付けや不当な配置と向きは原因となります。 EMI 干渉. これにより、PCB 分布パラメータの抽出と近接場干渉の推定が難しくなります。

スペクトル上のフライバック アーキテクチャ ノイズの反応
• 0.15MHz で発生する発振は、スイッチング周波数の 3 次高調波によって引き起こされる干渉です。
• 0.2MHz で発生する発振は、スイッチング周波数の 4 次高調波と Mosfet 発振 2 (190.5KHz) の基本波の重畳による干渉です。 したがって、この部分はより強力です。
• 0.25MHz で発生する発振は、スイッチング周波数の第 5 高調波によって引き起こされる干渉です。
• 0.35MHz で発生する発振は、スイッチング周波数の 7 次高調波によって引き起こされる干渉です。
• 0.39MHz で発生する発振は、スイッチング周波数の 8 次高調波と Mosfet 発振 2 (190.5KHz) の基本波の重畳による干渉です。
• 1.31MHz で発生する発振は、ダイオード発振 1 (1.31MHz) の基本波による干渉です。
• 3.3MHz で発生する発振は、MOSFET 発振 1 (3.3MHz) の基本波による干渉です。

スイッチング電源のEMI特性
スイッチング状態で動作するエネルギー変換デバイスとして、スイッチング電源の電圧と電流の変化率は非常に高く、干渉強度は比較的大きくなります。 干渉源は、主に電力スイッチング期間中に集中し、ラジエーターとそれに接続された高レベル トランスです。 回線の干渉源の位置は比較的明確です。 スイッチング周波数は高くなく（数十キロヘルツから数メガヘルツ）、干渉の主な形態は伝導干渉と近接場干渉です。 また、プリント回路基板 (PCB) のトレースは通常、手動で配線されます。 ランダム性が高く、PCB 分布パラメーターと近接場干渉の抽出が難しくなります。

スイッチング電源設計時のEMI対策
• ドレイン、コレクタ、スイッチ管の XNUMX 次および XNUMX 次巻線ノードなどのノイズ回路ノード用の PCB 銅箔の面積を最小限に抑えます。
• 入力端子と出力端子を、トランス ワイヤ ラップ、トランス コア、スイッチ チューブのヒートシンクなどのノイズ コンポーネントから離してください。
• ノイズの多いコンポーネント (シールドされていないトランス ワイヤ ラップ、シールドされていないトランス コアおよびスイッチなど) をエンクロージャの端から遠ざけてください。
• 変圧器が電界でシールドされていない場合は、シールドとヒートシンクを変圧器から離してください。
• 次の電流ループの面積を最小限に抑えます。二次 (出力) 整流器、一次スイッチング電源装置、ゲート (ベース) ドライブ ライン、補助整流器。
• ゲート (ベース) ドライブのフィードバック ループを一次スイッチ回路または補助整流器回路と混在させないでください。
• スイッチのデッドタイム時にリンギング音が発生しないように、ダンピング抵抗値を調整して最適化します。
• EMI フィルタ インダクタの飽和を防止します。
• XNUMX 次回路のターニング ノードとコンポーネントを、XNUMX 次回路のシールドまたはスイッチのヒートシンクから離してください。
• 一次回路スイング ノードとコンポーネント ボディをシールドまたはヒートシンクから遠ざけてください。
• 高周波入力用の EMI フィルタは、入力ケーブルまたはコネクタの端の近くに配置します。
• 高周波出力の EMI フィルタを出力ワイヤ端子の近くに置きます。
• EMI フィルタの反対側の PCB の銅箔と部品本体の間に一定の距離を保ちます。 補助コイルの整流器のラインにいくつかの抵抗器を置きます。 磁気バーコイルと並列にダンピング抵抗を接続します。 出力 RF フィルタの両端を並列に接続します。 ダンピング抵抗。
• 1nF/500V のセラミック コンデンサまたは一連の抵抗を PCB 設計に配置することができます。これは、トランスの一次静的端と補助巻線の間に接続されます。
• EMI フィルタを電源トランスから離してください。特にラップの端では。
• PCB 面積が十分にある場合は、シールド巻線用のピンと RC ダンパーを配置する位置を PCB に残し、RC ダンパーをシールド巻線の両端に接続することができます。
• スペースが許せば、スイッチング パワー FET のドレインとゲートの間に小さなラジアル リード コンデンサ (Miller、10 ピコファラッド/1kV) を配置します。
• スペースが許せば、DC 出力に小さな RC ダンパーを取り付けます。
• AC ソケットをプライマリ スイッチのヒートシンクに当てないでください。

放射線におけるEMI対策
30 ～ 300 MHz の周波数帯域における過剰な広帯域ノイズ
1. 電源ラインにデカップリング磁気リング (開閉可能) を追加して検証します。 改善が見られる場合は、電源ラインに関連していることを意味します。 次の整流方法が使用されます。 デバイスにフィルタが組み込まれている場合は、フィルタの接地が正しいかどうかを確認します。 良い、アース線ができるだけ短いかどうか。

2. 金属ケーシングを備えたフィルタの接地は、ケーシングと接地の間の広い接合面を介して直接行うことが好ましい。 フィルタの入力ラインと出力ラインが近接しているかどうかを確認します。 X/Y コンデンサの静電容量、ディファレンシャル モード インダクタンス、およびコモン モード チョーク コイルのインダクタンスを適切に調整します。 Yコンデンサを調整するときは、安全上の問題に注意してください。 パラメータを変更すると、特定のセクションの放射が改善される場合がありますが、他の周波数の変更につながります。 悪いので、最良の組み合わせを見つけようとし続ける必要があります。 これは、トリガー電極の抵抗値を適切に増加させる良い方法です。 また、小さなコンデンサをスイッチング トランジスタのコレクタ (または MOS トランジスタのドレイン) に接続するか、XNUMX 次出力整流器をグランドに接続することによって効果的に低減することもできます。

3. スイッチング電源ボードは、PCB 配線中に各ループのリターン エリアを制御する必要があります。これにより、ディファレンシャル モード放射を大幅に削減できます。 電源デカップリングのために PCB 電源トレースに 104/103 コンデンサを追加します。 多層基板を配線する場合、電源プレーンとグランドプレーンを近づける必要があります。 後でシングルボードに追加できる比較と検証のために、電力線に磁気リングを設定します。 これを実現するためにコモンモードインダクタが使用されるか、ケーブルに磁気リングが注入されます。 入力 AC ラインの L ラインの長さはできるだけ短くする必要があります。 シールド装置の内部で、穴の近くに干渉源があるかどうか。 構造部品の重ね継ぎ部に絶縁塗料が吹き付けられているかどうか、比較試験のため、ヤスリで絶縁塗料を拭き取ります。 接地ネジに絶縁塗料が吹き付けられているか、接地が良好かを確認してください。

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