开关噪声 EMC —— EMC 基础

时间:2019-01-25 14:24来源:21Dianyuan

摘要:开关噪声EMC系列之一

从本文开始将围绕“开关噪声-EMC”这一主题,对开关电源相关的EMC及其对策等进行解说。计划先介绍EMC相关的基础知识,然后再探讨噪声对策相关的内容。

第一篇将以“何谓EMC”为题,先来熟悉EMC相关的术语,以此作为起点。相关的英语缩写较多,EMC也是其中之一,下面将列出一些相似的缩写。如果不能很好地理解各个术语的意义,在使用时,某些情况下可能会存在无法准确传递信息、无法沟通的情况。

1. 何谓 EMC?
EMC是Electromagnetic Compatibility(电磁兼容性)的缩写,在日语中多用“电磁两立性”或“电磁适合性”等字样来表达,可能还有其他一些表述方式。意为“不对其他设备产生电磁干扰,即使受到来自其他设备的电磁干扰仍保持原有的性能”,因需要兼备两种性能而被称为“电磁兼容性”。

“不对其他设备产生电磁干扰”是指如果不有意识地确保这一性能就会给其他设备带来电磁干扰。EMI(Electromagnetic Interference)是表示电磁干扰(电磁干涉、电磁妨碍)的术语。由于发射电磁波会导致干扰,所以经常与Emission(辐射、发射)这一术语成对使用。从开关电源方面讲,是指因开/关工作而产生开关噪声。

与之相反的“即使受到来自其他设备的电磁干扰”相关的术语是EMS(Electromagnetic Susceptibility)-电磁敏感性。EMS多与Immunity(耐受性、抗扰度、排除能力)成对使用。要求具备“即使受到EMI,也不会引起误动作等问题”的耐受能力。

EMI分为传导噪声(Conducted Emission)和辐射噪声(Radiated Emission)两种。这两个术语在日文中用日语表达多于用英语缩写表达。传导噪声是指经由线体或PCB板布线传导的噪声。辐射噪声是指排放(辐射)到环境中的噪声。对于这些噪声,EMS中分别都有抗扰度要求。它们的关系如下。


 
以上即相关术语解释及关系。简而言之,即EMC是EMI和EMS是否满足标准规范的关键。将上述解说汇总如下。
 
 
术语 意义 备注
EMC:Electromagnetic Compatibility
电磁兼容性
不对其他设备产生电磁干扰,即使受到来自其他设备的电磁干扰,仍保持原有的性能。 因需要兼备EMI和EMS两方面的性能而被称为“电磁兼容性”。
EMI:Electromagnetic Interference
电磁干扰
因发射/排放(Emission)电磁波而对环境造成的干扰。 从EMC的角度看,要求不发射EMI或使EMI保持在最低限度。
EMS:Electromagnetic Susceptibility
电磁敏感性
对电磁波干扰(EMI)的
耐受性/抗扰度(Immunity)。
从EMC的角度看,要求即使受到EMI也不会受到干扰的抗扰度。
传导噪声
Conducted Emission
经由线体或PCB板布线传导的噪声  
辐射(发射)噪声
Radiated Emission
排放(辐射)到环境中的噪声  

2. 频谱基础
作为基础内容,先简单介绍一下“何谓频谱?”。根据日文版“大英百科全书 小项目版(支持电子版)”的解释,“将电磁波分解为正弦波分量,并按波长顺序排列的波谱”,将该释义扩展开来就是“将具有复杂组成的东西分解为单纯成分,并把这些成分按其特征量的大小依序排列(部分省略)”。虽然所引用的解释比较简短,不过再次仔细思考就会觉得“的确如此”。
 
这里介绍的频谱是指电气信号的频谱。具体来说,是基于通称“频谱分析仪/Spectrum Analyzer”的频谱分析仪器的数据(横轴作为频率,纵轴作为功率或电压)进行介绍。
 
1)频谱基础
本文的主题是“开关电源的EMC”,因此电气信号是以开关信号为前提的。首先来看下面的原理示意图。在表示开关信号的脉冲波形中,包括tw(脉冲宽度)和ts(上升/下降时间)。
中间的图是基于傅里叶变换的理论上的脉冲波形频谱。这是“振幅随着频率的升高而衰减,衰减斜率随着tw和ts而变化”的常见频谱。
 
右图表示脉冲的ts延迟后的频谱变化。斜率变为-40dB/dec时的1/πts频率降低是理所当然的,最终结果是其后的振幅减少。简而言之就是“当ts延迟时频谱的振幅衰减”。
 
 
 
接下来将使用实际的频谱分析仪数据来看频率等其他参数变化时的频谱变化。这里的关键点是“对于信号波形的变化,频谱将以怎样的趋势变化”。这是用来通过实际的开关电源电路的开关相关的频谱来分析并解决EMC问题所必须的知识。
 
2)波形变化与频谱变化
前面给出的图是用来比较的默认条件下的数据。下面波形图中的条件是:振幅10V,频率400kHz,Duty(占空比)50%,tr/tf(上升时间/下降时间)10ns。
 
中间的图表示n次谐波和振幅(V)的关系。1倍的频率=基波,也就是说400kHz的分量最大,以奇数倍的频率形成频谱。
 
 
 
谐波仅为奇数次是Duty为50%=1:1的频谱特征。各分量的大小为基波分量的1/次数,例如3次谐波分量为1/3,n次谐波分量为1/n。
 
右图是振幅为dBµV的对数曲线图。顺便提一下,dBμV是基于以1µV电压为基准的电压比的dB值。
 
① 将频率变更为2MHz时的频谱。从频率-振幅(dBµV)关系图可以明确看出,当频率增加时振幅整体增加。


 
 
② tr和tf同时延迟为100ns时的频谱。结果如原理示意图所示,进入-40dB/dec衰减时的频率降低,频谱的振幅衰减。


 
 
③ 将Duty50%变为20%时的频谱。由于Duty不是1:1,因此会产生偶次谐波,但峰值基本上没变化。随着脉冲宽度tw变窄,基波频谱的振幅衰减。


 
 
④ 仅tr(上升时间)延迟时的频普。tr相关的分量因tr延迟而从更低的频率开始衰减。


 
 
下面汇总了每种情况的结果。总而言之,当频率较低且上升/下降较慢时,频谱会衰减。从EMC的角度来看,也就是频谱的振幅较低时更有利。
 

① 频率升高 ⇒ 频谱的振幅整体増加
② 上升/下降延迟 ⇒ 进入-40dB/dec衰减时的频率变低,频谱的振幅衰减
③ Duty变更 ⇒ 产生偶次谐波,但对谱峰无影响。
  基波频谱衰减
④ 仅上升延迟 ⇒ tr分量从更低的频率开始衰减
 
另外,这里的“频谱”是指英语的“Spectrum”。虽然这并非本文主题,但稍微介绍一下仅作为了解。
 

关键要点
▪ 当频率升高时,频谱振幅整体增加。
▪ 上升/下降延迟时,进入-40dB/dec衰减时的频率降低,频谱的振幅衰减。
▪ Duty变更时,虽然会产生偶次谐波,但对谱峰无影响。基波频谱衰减。
▪ 仅上升延迟时,tr分量从更低的频率开始衰减。

3. 差模(常模)噪声与共模噪声
传导噪声可分为两种。一种是“差模噪声”,也称为“常模噪声”。这两种称呼有时可根据条件区分使用,不过在本文中作为相同的名词处理。另一种是“共模噪声”。来看下图。本文是围绕电源展开介绍的,因此图例是将带有电路的印刷电路板(PCB)装在壳体中,并由外部给电的示例图。


 
 
差模噪声产生在电源线之间,是噪声源对于电源线串联进入,噪声电流与电源电流方向相同。由于往返方向相反而被称为“差模(Differential mode)”。

共模噪声是经杂散电容等泄漏的噪声电流经由大地返回电源线线的噪声。因电源的(+)端和(-)端流过的噪声电流方向相同而被称为“共模(Common mode)”。在电源线间不产生噪声电压。

如前所述,这些噪声即为传导噪声。不过,由于电源线中流动着噪声电流,因此会发出噪声。
由差模噪声引起的辐射的电场强度Ed可通过左下方的公式来表示。Id为差模中的噪声电流,r为到观测点的距离,f为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环,因此环路面积S是非常重要的因素。如图和公式所示,假设其他因素固定,环路面积越大则电场强度越高。

由共模噪声引起的辐射的电场强度Ec可通过右下方的公式来表示。如图和公式所示,线缆长度L是非常重要的因素。


 
 
为了更好地认识每种噪声引发的辐射特点,接下来代入实际数值来计算一下电场强度*1。条件完全相同。电场强度的观测点用蓝色圆点来表示。

*1:公式来源-EMC工学详解 实用降噪技法 作者Henry W.Ott-东京电机大学出版社


 

这个计算结果中非常重要的一点是:噪声电流值相同的情况下,共模噪声辐射要大得多(在本例中约大100倍)。不管怎样,这些传导噪声和辐射噪声即EMI如果超出了容许范围,就需要采取降噪对策。特别需要记住的是,在考虑辐射噪声对策时,针对共模噪声的对策是非常重要的。

关于具体对策,后续会逐步介绍,其中最原则性的噪声对策是差模噪声要减少环路面积S(比如线缆采用绞合线),共模噪声要极力缩短线缆长度。不过一定会遇到受配置和材料等限制的情况,此时需要探讨增加滤波器的方法。

希望通过本文使您能够对噪声的种类和性质有初步了解。


关键要点
▪ 电磁干扰EMI大致可分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。
▪ 传导噪声可分为差模(常模)噪声和共模噪声两类。
▪ 关于辐射噪声,差模噪声的线缆环路面积、共模噪声的线长是非常重要的因素。
▪ 注意;即使条件相同,共模噪声带来的辐射远远大于差模噪声。

4. 何谓串扰
串扰是由于线路之间的耦合引发的信号和噪声等的传播,也称为“串音干扰”。特别是“串音”在模拟通讯时代是字如其意、一目了然的表达。两根线(也包括PCB的薄膜布线)独立的情况下,相互间应该不会有电气信号和噪声等的影响,但尤其是两根线平行的情况下,会因存在于线间的杂散(寄生)电容和互感而引发干扰。所以,串扰也可以理解为感应噪声。
 
线间耦合有杂散(寄生)电容引发的电容(静电)耦合和互感引发的电感(电磁)耦合。这些耦合现象会引发干扰。下图为每种耦合的示意图以及最简化的等效电路。
 
 
 
上图中用公式给出了将两者从噪声源的布线模式1到附近的布线模式2所产生的噪声电压Vn。R为电阻,C为电容,M为互感,Vs为噪声源电压,Is为噪声源电流。
 
在这里请记住,平行的布线间会发生串扰。顺便提一下,如果布线是正交结构,则杂散电容和互感都会显著减少。
 
关键要点
▪ 平行的布线间会产生串扰。
▪ 串扰的因素有杂散(寄生)电容引发的电容(静电)耦合和互感引发的电感(电磁)耦合。

5. 开关电源产生的噪声
首先,使用同步整流型降压DC/DC转换器的等效电路来了解一下开关电流的路径。
 
 
 
SW1为高边开关,SW2为低边开关。SW1导通(SW2为OFF)时,电流路径是从输入电容器到SW1、再经由电感L到输出电容器。SW2导通(SW1为OFF)时,电流路径是从SW2经由L再到输出电容器。下图表示这些电流路径的差分,每当开关ON/OFF时,红色线路的电流都会急剧变化。该环路的电流变化非常剧烈,所以会因PCB板布线电感而在环路内会产生高频振铃。
 
 
 
图中表示构成电源电路的外置部件、实装多层电路板的寄生分量及振铃的关系。
 
 
 
红色部分标出的是上图所表示的电流在急剧变化的环路中的寄生分量。布线中存在布线电感,通常每1mm有1nH左右的电感。另外,电容器中存在等效串联电感ESL,MOSFET的各引脚间存在寄生电容。因此,如红框内的图例所示,开关节点将产生100MHz~300MHz的振铃。所产生的电流及电压,可通过两个公式求得。
 
此振铃会作为高频开关噪声带来各种影响。虽然有采取相应的措施,但由于无法从电源IC处去除安装电路板的寄生分量,因此只能通过PCB板布局设计及采用去藕电容来解决。


 
 
关键要点
▪ 在开关时会产生急剧电流ON/OFF的环路中,会因寄生分量产生高频振铃=开关噪声。
▪ 这种开关噪声可通过优化PCB板布线等来降低,但即使这样,残留的噪声也会作为共模噪声传导至输入电源,因此需要采取防止噪声漏出的措施。

下一章:开关噪声 EMC —— 噪声对策
自:罗姆半导体集团 ROHM Semiconductor TechWeb
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