散熱器形狀對傳導騷擾的EMC測試案例

本文主要針對散熱器形狀對傳導騷擾測試的影響進行舉例分析。

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現(xiàn)象描述

某充電器產品在進行電源端口的傳導騷擾測試時，發(fā)現(xiàn)測試結果超過EN55022標準中規(guī)定的 CLASS B限值，其幅頻曲線如下圖所示：

究竟是什么原因導致的呢？具體問題要具體：

因為是電源端口的傳導騷擾測試，所以要首先檢查電源端口電路和布局。

根據超標頻率，確定干擾源來源。

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原因分析

本產品是充電器，其中最重要的電路為開關電源電路，最大的傳導騷擾可能來自于開關電源。

眾所周知，對于開關電源來說，其主要的干擾源為開關管和變壓器。

其干擾原理如下：

首先，開關管導通瞬間，初級線圈兩端會產生浪涌尖峰電壓。

開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁，這些本來本來可以傳遞到次級線圈的能量將和集電極電路中的等效電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，和關斷電壓疊加，從而形成關斷電壓尖峰，如下圖所示。

這種干擾電壓噪聲會通過傳導到達電源的輸入輸出端，形成傳導騷擾。

開關電源的開關頻率是一定的，這個開關頻率會產生諧波，例如，本產品開關電源的基頻為150kHz，其頻譜圖如下所示，從圖中可以看出有很多150kHz整數(shù)倍的諧波信號產生。

基頻的諧波信號產品的諧波電平幅度隨頻率的關系如下圖所示，這些諧波電平會傳遞到電源線上形成傳導騷擾，從前面測試超標的頻譜圖也正好驗證了超標的頻點來自于開關電源。

對于這種傳導騷擾該如何解決呢？通常操作就是控制騷擾源的路徑。

在開關電源中，由于功率開關管功耗往往較大，所以常常會安裝散熱器進行散熱。

散熱器的位置一般選擇和開關管貼合，這樣，在散熱器和開關管分布電容的影響下，干擾會耦合到散熱器上，使得散熱器也成為了騷擾源中的一部分。下圖說明了散熱器對EMI的影響的原理：

散熱器面積一般較大，容易與PCB中的信號線、器件、電源線、地平面等形成較大的寄生電容，從而成為傳導騷擾的關鍵路徑。

大家千萬不要小看這些寄生電容，以上圖（a）為例，若CS1=0.1pF，US1=300V，當頻率為基頻150kHz時，LISN測得的傳導騷擾電壓將會達到1400uV，這個值遠超過標準EN55022中規(guī)定的CLASS B的限值（150kHz 630uV）。

以圖（b）為例，若CS2=0.1pF，US2=300V ,當頻率為基頻150kHz時，LISN測得的傳導騷擾電壓將會達到700uV，這個值也超過標準EN55022中規(guī)定的CLASS B的限值。

平面間的耦合電容CS可以通過如下公式來估算：

CS=Ci+Cp

其中 Ci為固有電容，Cp為平面電容，單位為pF，

Ci=35*D

Cp=9*S（m2）/H?

D 為平面對角線長度，單位為m

H為兩個平面的距離，單位為m

兩塊金屬板面積均為10cm*20cm，則D=0.22m，S=0.02m2

兩個金屬板距離H=10cm

則可以得到:

Ci=35*0.22=7.7pF

Cp=9*0.02/0.1=1.8pF

平面間耦合電容CS=7.7pF+1.8pF=9.5pF

在開關電源設計中，為了防止散熱器成為懸空的金屬片，避免其變成輻射源，同時旁路掉噪聲，通常會將散熱器進行接PE或者功能地。

在本案例中，雖然散熱器已經接了功能地，但是從下圖中可以發(fā)現(xiàn)，散熱器的面積比較大，并一直延伸到電源入口處，并覆蓋了電源輸入端共模電感Lx以及濾波電容C2。

因為散熱器和共模電感以及濾波器電容距離較近，所以會產生相對較大的寄生電容，這樣開關電源開關元件產生的騷擾通過寄生電容耦合或者直接傳導的形式到達散熱器中，散熱器又通過寄生電容耦合到電源入口處，從而在導線上可以測到騷擾信號，而本應起到濾波作用的共模電感和濾波電容也失去了原本的作用。?

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處理措施

通過以上分析，修改散熱器形狀，使其不和Lx和濾波電容C2耦合，從而切斷了騷擾源和前級電路的耦合路徑，如下圖所示：

修改之后，重新測試，測試通過，其測試頻譜圖如下所示：

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思考和啟示

經過上面的分析，我們可以得到如下啟示：

散熱器雖然不是電子器件，本身不會產生干擾信號，但是如果安裝不當，往往會成為傳播騷擾信號的收發(fā)器，特別是在開關電源設計中，尤其要注意其形狀和安裝方法。

編輯：黃飛