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EMC工程师:揭秘电源内部元器件,你学会了吗?
电源不像处理器,可以看规格知性能。电源也不像显卡,由一颗关键的GPU来决定档次。一款好的电源除了满足功率需求以外,还必须考量稳定、节能、静音、安全等多方面的因素。在没有专业设备进行检测的情况下,我们只有了解一些电源的基本原理和元器件知识,才能做到对电源“一目了然”。


一.  抓住关键,不再眼晕

从外面看起来,电源的个头也就比一块“板砖”大一点,但它“肚子”里装的东西可着实不少。拆开外壳,我们能看到数以百计的、各式各样的电子元器件和复杂交错的线缆,不免让人眼晕。俗话说“擒贼先擒王”,在观察电源时,我们也应该着重留意以下几个部分。


某电源的内部结构图,序号1~6分别标识出了大家应该着重观察的部分。

1、一、二级EMI滤波电路。这部分的作用是将外部电网进入的市电进行过滤,得到比较纯净的交流电供后续使用。

2、PFC电路。它的作用是在交流电转换成直流电的过程中减少谐波,降低对室内电网和市电电网的干扰,减少市电损耗。

3、高压滤波电容。它的作用是净化高压直流电,为后续的高低压转换提供相对“纯净”的电流。

4、电源拓扑。拓扑就是指电源的整体结构,它直接影响到电源的转换效率。

5、低压滤波电路的电感线圈。其作用是稳定输出端的电压和电流,与电脑硬件系统的稳定使用有直接的关系。

6、散热片。在变压器和开关电路进行电压转换时,会产生大量的热量,因此需要散热片迅速转移热量。

二. 二级EMI滤波电路


国家3C认证强制要求上市的电源必须通过EMI防电磁辐射认证,因此合格的电源都应该具有EMI滤波电路。


一级EMI滤波电路位于电源接口处,做工更好的电路还具有独立PCB板和电感线圈。


二级EMI滤波电路通常在电源的主PCB板上,由电感线圈和电容等元器件组成。


某劣质电源上的二级EMI滤波电路唱了“空城计”

不过低端电源往往只有一级EMI滤波电路,稍好一点的电源都应该具有完整的一、二级EMI滤波电路。

三. PFC电路


PFC电路分为被动式和主动式两种,现在大部分电源都是采用的主动式PFC。


被动式PFC均采用这种“大个头”的电感


主动式PFC的电感线圈往往位于高压滤波电容的前方

被动式PFC的功率因数普遍在0.7左右,主动式PFC的功率因数则高达0.9以上,明显优于被动式PFC。两者的分辨也相当容易。

四. 高压滤波电容


哪些是高压滤波电容?很简单,电源里面最高、最大的电容即是(1~2颗)。比较电容时,原则上只能与同类型的电源相比,因为在相同功率下,被动式PFC电源所需的电容容量比主动式要大。在同级比较时,我们可以看到高压滤波电容的容量、耐压值和耐温值,理论上这三项数值越大越好。


电源采用主动式PFC,因此使用容量为330μF的高压滤波电容就能满足需求。该电容的耐压值为400V,耐温值为85℃。

五. 电源拓扑


简单说来,在前几年电源的拓扑可分为半桥式和正激式两种,现在基本以正激式为主。半桥式是传统的电源结构,通常转换效率不高;而正激式结构转换效率容易做到80%以上。


传统的半桥式拓扑


六. 正激式拓扑有助于提高转换效率

在进行分辨时,我们不妨采用排除法:在半桥式电源的中央,必定有三个变压器,并且一大两小,排成一条直线;如果你的电源不是这种结构,那么恭喜你,这多半是正激式电源。

七. 低压滤波电路的电感线圈

在低压滤波电路部分,我们主要看电感线圈的大小、匝数和颜色。自然是线圈越大、匝数越多越好;至于颜色,理论上从优到劣分别为灰色、黑色、浅绿色和黄色,电感越好损耗越小。


低压滤波电路部分主要看电感线圈

八. 散热片 


散热片的作用不需多说,发热量较大的开关管和肖特基管都常常安装在散热片上。目前市售电源普遍采用铝质散热片,通常越厚越好;同时为了在有限的空间内扩大散热面积,大部分散热片都开有鳍片,理论上鳍片越多越好
END
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  • EMC寄语:随着时代的发展,越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测,其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵,EMC实验室造价昂贵,绝大部分测量设备又需要采用进口设备,导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的,一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素,就会很容易导致EMC测试失败,以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如,产品设计研发工程师们根据需求,设计出效果良好的滤波电路,置入产品I/O(输入/输出)接口的前级,可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处;设计出隔离电路(如变压器隔离和光电隔离等)解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰,同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰;设计出能量吸收回路,从而减少电路、器件吸收的噪声能量;通过选择元器件和合理安排的电路系统,使干扰的影响减少。

  • EMC技能:整改小技巧

  • 1、150kHz-1MHz,以差模为主,1MHz-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz 以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干扰是共模,低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上,用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰。

  • 2、保险过后加差模电感或电阻。

  • 3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。

  • 4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI,体积别选太大(DR8太大,能用电阻型式或DR6更好)否则幅射不好过,必要时可串磁珠,因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。5、传导冷机时在0.15MHz-1MHz超标,热机时就有7dB余量。主要原因是初级BULk电容DF值过大造成的,冷机时ESR比较大,热机时ESR比较小,开关电流在ESR上形成开关电压,它会压在一个电流LN线间流动,这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。

  • 6、测试150kHz总超标的解决方案:加大X电容看一下能不能下来,如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰,或者把电源线在一个大磁环上绕几圈, 下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好,就减小Y电容,看一下布板是否有问题,或者就在前面加磁环。

  • 7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。

  • 8、PWM线路中的元件将主频调到60kHz左右。

  • 9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。

  • 10、共模电感的两边感量不对称,有一边匝数少一匝也可引起传导150kHz-3MHz超标。11、一般传导的产生有两个主要的点:200kHz和20MHz左右,这几个点也体现了电路的性能;200kHz左右主要是漏感产生的尖刺;20MHz左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射,加屏蔽都没用,辐射过不了。

  • 12、将输入BUCk电容改为低内阻的电容。

  • 13、对于无Y-CAP电源,绕制变压器时先绕初级,再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边,后绕次级。

  • 14、将共模电感上并联一个几k到几十k电阻。

  • 15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。

  • 16、在PCB设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。

  • 17、保险套磁珠。

  • 18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471。

  • 19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡) 。

  • 20、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰,改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地,或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来, 也可以用一个小电容代替。

  • 21、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰,改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替, 将另外一个电容加大。

  • 22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。

  • 23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来,并且铜箔两端短接在一起,再用一根铜线连接到地。

  • 24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。

  • 25、将开关管用金属套起来连接到地。

  • 26、加大X2电容只能解决150kHz左右的频段,不能解决20MHz以上的频段,只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环,电感量约50uH-1mH。

  • 27、在输入端加大X电容。

  • 28、加大输入端共模电感。

  • 29、将辅助绕组供电二极管反接到地。

  • 30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。

  • 31、加大输入端滤波电容。

  • 32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz这两处传导都不过,可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题,该接地的地方一定要加强接牢,主板上的地线一定要理顺,不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。

  • 33、在整流桥上并电容,当考虑共模成分时,应该邻角并电容,当考虑差模成分时,应该对角并电容。

  • 34、加大输入端差模电感。

  • 2、产品电磁兼容骚扰源有:

  • 1、设备开关电源的开关回路:骚扰源主频几十kHz到百余kHz,高次谐波可延伸到数十MHz。

  •  2、设备直流电源的整流回路:工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz;开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。

  •  3、电动设备直流电机的电刷噪声:噪声频率上限可延伸到数百MHz。

  •  4、电动设备交流电机的运行噪声:高次谐波可延伸到数十MHz。

  •  5、变频调速电路的骚扰发射:开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。

  •  6、设备运行状态切换的开关噪声:由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。

    7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰:骚扰源主频几十kHz到几十MHz,高次谐波可延伸到数百MHz。

    8、微波设备的微波泄漏:骚扰源主频数GHz。

     9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射:骚扰源主频几十kHz,高次谐波可延伸到数十MHz。

     10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波:骚扰源主频数十MHz到数百MHz,高次谐波可延伸到数GHz。

    11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路:骚扰源主频数十MHz到数百MHz(经内部倍频主频可达数GHz),高次谐波可延伸到十几GHz。

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