2018R&S IoT电子产品EMC设计与测试技术研讨会

20年资深工程师,从7个方面分析开关电源的电路和EMC设计细节(下)

2017-8-24 17:35 10141 0 原作者: Hsiao Chen
简介
从我干开关电源近二十年,算是老手了,我非常深有体会的是,开关电源最难的是环路参数,非常不好确定,普遍不大稳定就是环路没有调好。


未完待续:20年资深工程师,从7个方面分析开关电源的电路和EMC设计细节(上)

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4、EMC等测试之前的注意细节

1、温升测试,45℃烤箱环境,输入90,264时变压器磁芯,线包不超过110℃,PCB在130℃以内。其他的元器件具体值参考下安规要求,温度最难整的一般都是变压器。

2、绝缘耐压测试DC500V,阻值大于100MΩ,初次级打AC3000V时间60S,小于10mA,产线量产可以打AC3600V,6S。建议采用直流电压DC4242打耐压。耐压电流设置10mA,测试过程中测试仪器报警,要检查初次级距离,初级到外壳,次级到外壳距离,能把测试室拉上窗帘更好,能快速找到放电的位置的电火花。

3、对地阻抗,一般要小于0.1Ω,测试条件电流40A。

4、ESD一般要求接触4K,空气8K,有个电阻电容模型问题。一般会把等级提高了打,打到最高的接触8K,空气15K。打ESD时,共模电感底下有放电针的话,放电针会放电。电源的ESD还会在散热器与不同元器件之间打火,一般是距离问题和PCB的layout问题。打ESD打到15K把电源打坏就知道自己做的电源能抗多大的电压,做安规认证时,心里有底。如果客户有要求更高的电压也知道怎么处理。参考EN61000-4-2。

5、EFT这个没有出现过问题2KV。参考EN61000-4-4。

6、雷击,差模1K,共模2K,采用压敏14D471,有输入大电解,走线没有大问题基本PASS。碰到过雷击不过的情况,小功率5W,10W的打挂了,采用能抗雷击的电解电容。单极PFC做反激打挂了MOSFET,在输入桥堆后加入二极管与电解电容串联,电容吸收能量。LED电源打2K与4K的情况,4KV就要采用压敏电阻+GDT的形式。参考EN61000-4-5。

EFT,ESD,SURGE有A,B,C等级。一般要A等级:干扰对电源无影响。

7、低温起机。一般便宜的电源,温度范围是0-45℃,贵的,工业类,或者LED什么的有要求-40℃-60℃,甚至到85℃。-40℃的时候输入NTC增大了N倍,输入电解电容明显不够用了,ESR很大,还有PFC如果用500V的MOSFET也是有点危险的(低温时MOSFET的耐压值变低)。之前碰到过90V输入的时候输出电压跳,或者是LED闪几次才正常起来。增加输入电容容量,改小NTC,增加VCC电容,软启动时间加长,初级限流(输入容量不够,导致电压很低,电流很大,触发保护)从1.2倍放大到1.5倍,IC的VCC绕组增加2T辅助电压抬高;查找保护线路是否太极限,低温被触发(如PFC过压易被触发)。

5、传导整改注意细节

基本性能和安规基本问题解决掉,剩下个传导和辐射问题。这个时候可以跟客户谈后续价格,自己优化下线路。 跟安规工程师确认安规问题,跟产线的工程师确认后续PCB上元器件是否需要做位置的更改,产线是否方便操作等问题。或者有打AI,过回流焊波峰焊的问题,及时对元器件调整。

1、传导和辐射测试大家看得比较多,论坛里面也讲的多,实际上这个是个砸钱的事情。砸钱砸多了,自然就会了,整改也就快了。能改的地方就那么几个。1、这个里面看不见的,特别重要的就算是PCB了,有厉害的可以找到PCB上的线,割断,换个走线方式就可以搞掉3个dB,余量就有了。

2、一般看到笔记本电源适配器,接电脑的部分就有个很丑的砣,这个就是个EMI滤波器,从适配器出线的部分到笔记本电脑这么长的距离,可以看成是1条天线,增加一个滤波器,就可以滤除损耗。所以一般开关电源的输出端有一个滤波电感,效果也是一样的。


                          


3、输入滤波电感,功率小的,UU型很好用,功率大的基本用环型和ET型。公司有传导实验室或者传导仪器的倒是可以有想法了就去折腾下。要是要去第三方实验室的就比较痛苦了,光整改材料都要带一堆。滤波电感用高导的10K材料比较好,对传导辐射抑制效果都不错,如果传导差的话,可以改12K,15K的,辐射差的话可以改5K,7K的材质。

4、输入X电容,能用小就用小,主要是占地方。这个要配合滤波电感调整的。

5、Y电容,初次级没有装Y电容,或者Y电容很小的话一般从150K-30M都是飘的,或者飞出限值了的,装个471-222就差不多了。Y电容的接法直接影响传导与辐射的测试数据,一般为初级地接次级的地,也有初级高压,接次级地,或者放2个Y电容初级高压和初级地都接次级的地,没有调好之前谁也说不准的。Y电容上串磁珠,对10MHz以上有效果,但也不全是。每个人调试传导辐射的方法和方式都有差异机种也不同,问题也不同,所以也许我的方法只适合我自己用。无Y方案大部分是靠改变变压器来做的,而且功率不好做大。

6、MOSFET吸收,DS直接顶多能接个221,要不温度就太高了,一般47pF,100pF。RCD吸收,可以在C上串个10-47Ω电阻吸收尖峰。还可以在D上串10-100Ω的电阻,MOSFET的驱动电阻也可以改为100Ω以内。

7、输出二极管的吸收,一般采用RC吸收足够了。

8、变压器,变压器有铜箔屏蔽和线屏蔽,铜箔屏蔽对传导效果好,线屏蔽对辐射效果好。至于初包次,次包初,还有些其他的绕法都是为了好过传导辐射。

9、对于PFC做反激电源的,输入部分还需要增加差模电感。一般用棒形电感,或者铁粉芯的黄白环做。

10、整改传导的时候在10-30MHz部分尽量压低到有15-20dB余量,那样辐射比较好整改。

开关频率一般在65KHz,看传导的时候可以看到65K的倍频位置,一般都有很高的值。

总之:传导的现象可以看成是功率器件的开关引起的振荡在输入线上被放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来的时候不超标。

6、辐射整改注意细节

1、PCB的走线按照布线规则来做即可。当PCB有空间的时候可以放2个Y电容的位置:初级大电容的+到次级地;初级大电容-到次级地,整改辐射的时候可以调整。

2、对于2芯输入的,Y电容除了上述接法还可以在L,N输入端,保险丝之后接成Y型,再接次级的地,3芯输入时,Y电容可以从输入输出地接到输入大地来测试。

3、磁珠在辐射中间很重要,以前用过的材料是K5A,K5C,磁珠的阻抗曲线与磁芯大小和尺寸有关。如图所示,不同的磁珠对不同的频率阻抗曲线不同。但是都是把高频杂波损耗掉,成了热量(30MHz-500MHz)。一般MOSFET,输出二极管,RCD吸收的D,桥堆,Y电容都可以套磁珠来做测试。

4、输入共模电感:如果是2级滤波,第一级的滤波电感可以考虑用0.5-5mH左右的感量,蝶形绕法,5K-10K材质绕制,第一级对辐射压制效果好。如果是3芯输入,可以在输入端进线处用三层绝缘线在K5A等同材质绕3-10圈,效果巨好。

5、输出共模电感,一般采用高导磁芯5K-10K的材料,特殊情况辐射搞不定也可以改为K5A等同材质。

6、MOSFET,漏极上串入磁珠,输入电阻加大,DS直接并联22-220pF高压瓷片电容可以改善辐射能量,也可以换不同电流值的MOS,或者不同品牌的MOSFET测试。

7、输出二极管,二极管上套磁珠可以改善辐射能量。二极管上的RC吸收也对辐射有影响。也可以换不同电流值来测试,或者更换品牌

8、RCD吸收,C更改容量,R改阻值,D可以用FR107,FR207改为慢管,但是需要注意慢管的温度。RCD里面的C可以串小阻值电阻。

9、VCC的绕组上也有二极管,这个二极管也对辐射影响大,一般采取套磁珠,或者将二极管改为1N4007或者其他的慢管。

10、最关键的变压器。能少加屏蔽就少加屏蔽,没办法的情况也只能改变压器了。变压器里面的铜箔屏蔽对辐射影响大,线屏蔽是最有效果的。一般改不动的时候才去改变压器。

11、辐射整改时的效率。套满磁珠的电源先做测试,PASS的情况,再逐个剪掉磁珠。

fail的情况,在输入输出端来套磁环,判断辐射信号是从输入还是输出发射出来的。

套了磁环还是fail的话,证明辐射能量是从板子上出来的。这个时候要找实验室的兄弟搞个探头来测试,看看是哪个元器件辐射的能量最大,哪个原件在超出限值的频率点能量最高,再对对应的元件整改。

辐射的现象可以看成是功率器件在高速开关情况下,寄生参数引起的振荡在不同的天线上发射出去,被天线接收放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,改变振荡频率或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来值的时候不超标。

磁珠的运用有个需要注意的地方,套住MOSFET的时候,MOSFET最好是要打K脚,套入磁珠后点胶固定,如果磁珠松动,可能导电引起MOSFET短路。有空间的情况下尽量采用带线磁珠。

7、PCB定型改版试生产注意细节

传导辐射整改完成后,PCB可以定型了,最好按照生产的工艺要求来做改善,更新一版PCB,避免生产时碰到问题。

1、验证电源的时刻到了,客户要求,规格书。电源样品拿给测试验证组做测试验证了。之前问题都解决了的话,验证组是没问题的,到时间拿报告就可以了。

2、准备小批量试产,走流程,准备物料,整理BOM与提供样机给生产部同事。

3、准备做认证的材料(保险丝,MOSFET等元器件)与样机以及做认证的关键元器件清单等文档性材料。关键元器件清单里面的元件一般写3个以上的供应商。认证号一定要对准,错了的话,后续审厂会有不必要的麻烦。剩下的都是一些基本的沟通问题了。

做认证时碰到过做认证的时候温升超标了的,只能加导热胶导出去。或者提高效率,把传导与辐射的余量放小。这种问题一般是自己做测试时余量留得太少,很难碰到的。

4、一般认证2个月左右能拿到的。2个月的时间足够把试产做好了。

5、试产问题:基本上都是要改大焊盘,插件的孔大小更改,丝印位置的更改等。

6、试产的测试按IPS和产线测试的规章制度完成。

碰到过裸板耐压打不过的,原因竟然是把裸板放在绿色的静电皮上操作;也有是麦拉片折痕处贴的胶带磨损了。

7、输入有大电容的电源,需要要求测试的工序里面增加一条,测试完毕给大电容放电的一个操作流程。

8、试产完成后开个试产总结会,试产PASS,PCB可以开模了。量产基本上是不会找到研发工程师了,顶多就是替代料的事宜。

9、做完一个产品,给自己写点总结什么的,其中的经验教训,或者是有点失败的地方,或者是不同IC的特点。项目做多了,自然就会了。

整个开发过程中都是一个团队的协作,所以很厉害的工程师,沟通能力也是很强的,研发一个产品要跟很多部门打交道,技术类的书要看,技术问题也要探讨,同时沟通与礼仪方面的知识也要学习,有这些前提条件,开发起来也就容易多了。

8、20年经验资深工程师的感慨

我顺便提一下,上面原理图中18的此饱和是500MT,即5000高斯,0,5特斯拉,普通铁氧体到不了5000吧,顶多4000,好像才3500吧,所以一般的磁通密度选择1500高斯,变压器小的可以选大一些,变压器大的要选小一些,频彔高的减小频彔低的可以大一些吧。

从我干开关电源近二十年,算是老手了,我非常深有体会的是,开关电源最难的是环路参数,非常不好确定,普遍不大稳定就是环路没有调好,这个是一个大问题了,太多搞不定的就是这个问题了,还有变压器参数的选择也是一个难点,有人说变压器的分量非常大,确定多少匝比,规格,如果铁损线损一样最好,绞在一起了,无法确定哪个多哪个少了,还有,如何确定磁通密度多少为最合适,也是非常难了,这个多年的经验非常重要,许多人变压器不懂设计,还有,风铃可以磁通大一些,自冷要小一些,都不是一件容易的事情。

现在是很多人知识匮乏,没有无线电技术的知识,那一些新手根本不懂,把PCB布成整齐的非常随意的任意走线了,很像精细,那根本胡闹,不能用的版了,新一代的知识多元化,诱惑太大了,什么人都可以上大学了,比如一些职高的普高没毕业的人也上大学了,应试教育也是大问题,人才质量不行了,什么也不懂的人多了,他们照样搞开发,能做成什么好产品,最重要的是知识和学问,却又是最不在乎是又是学问,浮躁社会浮躁的人,满脑子就是短平快,要知道欲速则不达,只会抄袭模仿拿来主义山寨之风,模仿制造低劣产品,因为所谓的开发人员就是搬运工,而且所谓人才流动,半拉子一下就飞了,成了政治资本,干过了什么项目,还有不少其实是调试工,技术人员,冒充什么开发人员,老板急于求成,用的其实是伪人才,伪人才只能制造伪劣产品了,就是只会克隆产品复制了,还做不好,大功率的其实不少老外的产品哪个做成了,小功率的相对容易简单一些不少还是做成了,但做不好的多多了,

我谈这个是非常普遍存在的社会现实,比如一位做12伏100安,抄袭模仿八九个月没有做成,最终失败打水漂了,其实可以做成的,我见过那个产品,同开发人员一交流,发现学问不行,我对那位陈老板说凶多吉少九成以上要失败的,他不信,就是我完全模仿一个地方也不能漏下,难道做不成,结果呢,真的做不成了,相当多人都以为一抄就成一步到位,总是这么说,结果岂不,哪个成功了,一败涂地了。其实,那个12伏100安真的不难,就是要有一些学问,失败的原因就在这里了。

原谅我谈了别的方面的了,不过,确实千真万确,非常普遍而且常态化的我们这个社会的现实了,普遍的从业人员就是知识匮乏,技术和能力不行,就是生搬硬套,克隆主义至上,,好像我们这个社会就是假大空的社会,多数的产品都是这么去干的。成了不少其实有不少老外非常不错的产品,我都见过不少了,怎么都没有见到我们做的实际产品了,其实大帮小帮都在抄袭,怎么见不到东西呀,因为都失败了打水漂了,我在这里说了大实话的,非常真实的不要误解了。如果有何不妥,多多见谅吧。

有一个非常真实的事例,比如01年我国一公司就做成了LLC多谐振的产品,由于效率高一时非常轰动,模仿者也登门而至,我是在03年初开始非常费劲,与同事大半年了,说来奇怪,原机占空比大仿做的就小了,当时的土办法就是把环流加大,但效率降低了,另一家深圳的某一家公司一直做不成,耗了不少财力,老板火了起来把那位总工炒掉了。我03年底离开了,改用SG3525,主结构有了,按照规律,3525的死区时间还可以调整呢,占空比大了,就这样做成功了,我是不会生搬硬套,比较灵活的,人家做不成做不好我就可以做到了,这种情况很多,所以不要完全克隆死板做,必须要会搞电路设计,如果是这样,好多产品是可以做成的,可以模仿参考,结合自主设计,我的这一事例不也充分说明了吗,学问和灵活最重要了,就是这么一回事。真正模仿成功还做的不错的技术功夫也非常不错了,许多人不懂这个道理,就是难道不成,不相信,真的如此,失败多多了,即使一些做成了,也是不三不四的,产品性能和质量是一个大问题,还是一句话,伪人才制造伪劣产品,现实上伪人才多得去了,产品冒牌货多同样的人才冒牌货一样多了,其实,大家相信的倒是谎言的多,一抄就成一步到位就是成了最大的谎言了。满口子多么省事节省成本,甚至更有甚者,全打包连图纸都没有,坏了就是修电器一样,把坏的找出来换掉就可以了,这个就是投机主义干事了,肯定这样做的问题特别大,他们就是把财力花在营销广告战了。



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