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2020.01.22 開關雜訊-EMC

EMC基礎-總結

總結

“開關雜訊-EMC 基礎篇”前後共有21篇文章,本文是最後一篇。從“EMC基礎”知識開始,以開關電源為前提分別介紹了“雜訊對策(步驟與概要)”、“使用電容降低雜訊”、“使用電感降低雜訊”、“其他雜訊對策”相關的基礎內容。本文將對各篇文章的關鍵要點做最終總結。

<EMC基礎>

何謂EMC

關鍵要點

・EMC(電磁相容性)是指兼備EMI和EMS兩方面的性能。

・EMI(電磁干擾)是指因輻射/射極(Emission)電磁波而對環境產生的干擾。

・EMS(電磁敏感性)是指對電磁波干擾(EMI)的耐受性/抗擾度(Immunity)。

頻譜基礎

關鍵要點

・當頻率升高時,頻譜振幅整體增加。

・上升/下降延遲時,進入-40dB/dec衰減時的頻率降低,頻譜的振幅衰減。

・Duty變更時,雖然會產生偶次諧波,但對譜峰無影響。基波頻譜衰減。

・僅上升延遲時,tr分量從更低的頻率開始衰減。

差模(常模)雜訊與共模雜訊

關鍵要點

・電磁干擾EMI大致可分為“傳導雜訊”和“輻射雜訊”兩種。

・傳導雜訊可分為差模(常模)雜訊和共模雜訊兩類。

・關於輻射雜訊,差模雜訊的線纜環路面積、共模雜訊的線長是非常重要的因素。

・注意;即使條件相同,共模雜訊帶來的輻射遠遠大於差模雜訊。

何謂串擾

關鍵要點

・平行的佈線間會產生串擾。

・串擾的因素有雜散(寄生)電容引發的電容(靜電)耦合和互感引發的電感(電磁)耦合。

開關電源產生的雜訊

關鍵要點

・在切換時會產生急劇電流ON/OFF的環路中,會因寄生分量產生高頻振鈴=開關雜訊。

・這種開關雜訊可透過最佳化PCB板佈線等來降低,但即使這樣,殘留的雜訊也會作為共模雜訊傳導至輸入電源,因此需要採取防止雜訊漏出的措施。

<雜訊對策>

雜訊對策步驟

關鍵要點

・隨著開發進程的推進,可使用的雜訊對策技術和手段越來越有限,對策成本也越來越高。

・在產品開發的初期階段,預先進行充分探討與評估,可以從容有效地採取雜訊對策。

・掌握雜訊的種類和性質,並針對不同的雜訊採取不同的有效對策是非常重要的。

・雜訊對策按照“把握頻率成分→把握產生源和傳導路徑→強化GND→增加雜訊零件”的步驟進行。

開關電源雜訊對策的基礎知識

關鍵要點

・要想降低差模雜訊,可在電路板上縮小大電流路徑的環路面積,並增加最優解耦和輸入濾波器。

・盡可能地抑制雜訊的發生源–差模雜訊是非常重要的,也關係到降低共模雜訊。

・要想降低共模雜訊,可縮短佈線,抑制串擾,切斷(濾波)共模路徑。

開關電源的輸入濾波器

關鍵要點

・開關電源的輸入濾波器,需要針對共模雜訊和差模雜訊分別採用不同的處理。

・對共模雜訊使用共模濾波器。

・對差模雜訊使用由電容器、電感、磁珠、電阻等零件組成的濾波器。

<使用電容降低雜訊>

電容的頻率特性

關鍵要點

・雜訊用電容器的選型需要根據電阻的頻率特性進行(而非容值)。

・容值和ESL越小,諧振頻率越高,高頻區域的電阻越低。

・容值越大,容性區域的電阻越低。

・ESR越小,諧振頻率的電阻越低。

・ESL越小,感性區域的電阻越低。

使用電容降低雜訊

關鍵要點

・通過降低目標雜訊頻率的電阻來降低雜訊幅度。

・雜訊用電容器的選型需要根據電阻的頻率特性進行(而非容值)

去耦電容的有效使用方法 要點1

關鍵要點

・去耦電容的有效使用方法有兩個要點:①使用多個電容,②降低電容的ESL。

・使用多個電容時,容值相同時和不同時的效果不同。

去耦電容的有效使用方法 要點2

關鍵要點

・去耦電容的有效使用方法有兩個要點:①使用多個電容,②降低電容的ESL。

・通過降低電容的ESL,可改善高頻特性,並可更有效地降低高頻雜訊。

・有的電容雖然容值相同,但因尺寸和結構不同而ESL更小。

去耦電容的有效使用方法 其他注意事項

關鍵要點

・理解Q與頻率-電阻特性之間的關係,並根據目的區分Q的差異。

・高Q電容窄帶電阻急劇下降。低Q電容在較寬頻段相對平緩下降。

・PCB圖形的熱風焊盤等會增加電感分量,使諧振頻率向低頻端移動。

・探討對策時的試裝,如果不按照現實的修改實際安裝,很可能在修改後的PCB板上無法獲得探討時的效果。

・電容量變化率大時,諧振頻率會變化,無法獲得目標頻率理想的雜訊消除效果。

・在溫度條件和變動較大的嚴苛應用中,可以探討使用具有CH、C0G特性的溫度特性優異的電容。

去耦電容的有效使用方法 總結

<使用電感降低雜訊>

電感的頻率特性

關鍵要點

・電感在諧振頻率之前呈現感性特性(電阻隨頻率升高而增加)。

・電感在諧振頻率之後呈現容性特性(電阻隨頻率升高而減小)。

・在比諧振頻率高的頻段,電感不發揮作為電感的作用。

・電感值L變小時,電感的諧振頻率會升高。

・電感的諧振點電阻受寄生電阻分量的限制。

使用電感和鐵氧體磁珠降低雜訊的對策

關鍵要點

・用於雜訊對策的電感,大致可以分為繞組型電感構成的濾波器和利用鐵氧體磁珠進行熱轉換兩種。

・鐵氧體磁珠與普通電感相比,具有電阻分量R較大、Q值較低的特性。

・普通的電感可容許較大的直流疊加電流,只要在其範圍內,電阻不怎麼受直流電流的影響。

・鐵氧體磁珠對於直流電流容易飽和,飽和會導致電感值下降,諧振點向高頻段轉移。

・普通電感構成的濾波器,可選電感值的範圍較寬。

・鐵氧體磁珠的Q值較低,因此在較寬頻率範圍內具有有效的雜訊效果。

使用共模濾波器降低雜訊的對策

關鍵要點

・使用共模濾波器消除對共模雜訊。

・共模濾波器是利用自感作用來阻止共模電流通過的濾波器。

注意點 : 串擾、GND線反彈雜訊

關鍵要點

・有些PCB板佈線佈局,會因串擾而導致濾波效果下降。

・Π型濾波器的電容的GND的某些設置方法可能會帶來地線反彈雜訊。

・優化PCB板佈線佈局可避免這些問題。

使用電感降低雜訊 總結

<其他雜訊對策>

RC緩衝電路

關鍵要點

・RC緩衝電路可透過電阻將寄生電容、寄生電感等產生的尖峰電壓轉換為熱,從而降低尖峰電壓。

・增加緩衝電路可能會導致效率降低,因此需要探討雜訊水準和效率之間的平衡點。

・電阻是將雜訊電壓轉換為熱,因此需要注意電阻的容許損耗。

雜訊對策