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原创 【你还不知道吗】第九期·技术经验分享原创大赛开始啦!

EMC的仿真、测试与整改

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a422877308
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  • 2018-4-30 10:57:45
不知不觉已经第九期了,首先感谢21电源网提供的交流平台。从题目上看,本贴打算分享的是EMC目前最常用的一些设计方法和思路。仿真、测试、整改三个一起涵盖面有点广,水平有限,肯定不能都表达清楚,因为活动截止八月底,所以希望有足够的时间完成该贴。
首先分享一张动图,该图是采用ANSYS仿真获得的远场辐射图。除了ANSYS,下面还会用到CST。
Untitled.gif
wszdxp2004
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副总工程师
  • 2018-4-30 14:56:15
 
feiyangziwo
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  • 2018-4-30 23:29:34
 
感觉很先进,持续关注中,
liaozhaocheng
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  • 2018-5-1 10:31:28
 
长见识,期待后续
a422877308
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  • 2018-5-1 12:14:01
 
首先对ANSYS的仿真进行科普,省的有些人因为看不明白而失去兴趣,篇幅略长,重新开一贴。
http://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=298817
下面两篇是我在微博仿真论坛发的,关于SI的,因为EMI和SI,PI有着密切的联系,SI,PI的好坏常常会直接影响到EMI结果,所以发上来以供参考。
http://bbs.rfeda.cn/read-htm-tid-110954-page-1.html
http://bbs.rfeda.cn/read-htm-tid-110975.html
a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-1 15:04:31
 
1、EMC的逆向设计
目前行业内的EMC设计多数为逆向设计,设计初期根据经验选择EMC相关措施,到产品出来后再去测试整改,逆向设计一般前期没有多少工作量,主要靠后期的整改。
整改中最常用到的设备便是频谱仪和近场探头,相信有过整改经验的都知道。这套设备是整改中非常重要的工具,能够熟练使用的人往往能够快速的找到问题的源头。下面的近场探头往往不够用,需要自制,比如用同轴线加个隔直的安规电容,再加个20DB衰减,可以直接测量电源管脚和芯片的I/O管脚,或者走线上的噪声,相对于下面的空间感应测量,这种方式测量的目标更精确。
030930243801.jpg EM5030330.jpg
cyx7610
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  • 2018-5-1 16:32:13
 
持续关注。
文章大人
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副总工程师
  • 2018-5-2 15:19:54
 
关注一下。
FHXWT
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副总工程师
  • 2018-5-3 07:57:55
 
这个很重要  关注一下
a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-5 22:56:15
 
当用频谱仪定位噪声源头或者关键传输路径时,然后就需要采用具体方法对其进行整改了,整改的措施可谓多种多样,总结下来,就是大家常说的屏蔽、接地、滤波。一般来讲,很少有人能够一次就找到合适的方法,这里的“合适”既有解决EMI问题的部分,也有成本和是否导入生产的部分。这里分享一些个人的方法,希望能够帮到各位。
首先是传导问题,这个问题也是诸多电源工程师遇到的最主要的EMC问题。传导整改的方法无非就是那几种,无非就是滤波,吸收,控制回路,软开关等等,论坛的大神都讲了很多遍了,我就不班门弄斧了。我尝试从其它方面入手,之前做过大功率逆变设备,在高压输入的传导需要做滤波处理,产品满载功率在100kw左右,大致的拓扑如下,靠近IGBT侧的X电容为220uF的支撑电容,也就是说滤波电路中仅有一组Y电容,为了保证比较高的效率,所以IGBT没有加吸收,驱动电阻也比较小。重要的是滤波电路为无感电路,在设备工作时,负载阻抗是很低的,电容起到的滤波作用非常有限。最终导致低频300KHz以下超标。


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a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-6 10:52:35
 
了解滤波电路设计的都知道,滤波采用的原理是阻抗的失配,所以对于低阻抗负载电路,如果要滤除线路上的噪声,需要加入高阻原件,即电感。而产品工作电流为百安培级别,绕线电感体积过大,是不可能的,那么加个磁环是否可以降低问题频段的噪声幅值呢?答案是肯定的,单电感电路截止频率的计算为R=πfL  频率f计为250KHz,R暂时采用50欧姆系统,因为实际电路阻抗是未知的(肯定小于50)
计算得到L=63.66uH,采用Filter Designer计算得到的结果,对于简单的一级L或C滤波电路,不需要软件计算,根据公式即可得到,当滤波电路变得复杂,手动计算将变得不可能完成。
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a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-6 11:44:08
 
当知道需要什么参数的电感后,接下来就是验证哪些产品是符合要求的,经验上讲,所需磁环材质为非晶或者超微晶/坡莫合金的,具体的磁导率计算为 2018-05-06_11-22-42.png
由于具体的A和l以实际磁环尺寸为准,所以找一个尺寸相当的磁环,如下图中所示,粗略计算250KHz下磁环磁导率约为42342,这个磁导率参数,有些高磁导率的锰锌铁氧体也是可以做到的。知道所需磁材的磁导率后,剩下的就是去找供应商要样品了。
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a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-6 12:19:05
 
采用CST对该磁环进行仿真,可以看到一圈的感值为69.15uH,之前计算的感值为63.66uH,误差的原因在于上面厂商给出的磁环尺寸造成的,理论的磁路长度并不是ID和OD的平均值,而是下面的公式。
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闭合磁路的磁环实际上不需要进行仿真,从仿真结果上可以看出基本上与手算是相吻合的,当磁环为工程上经常用到的扣式,甚至CD型的,U型开口的,手算的误差就变得比较大了。


a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-6 12:26:41
 
当然,实际厂商不可能根据客户需要专门去研发一款对应参数的磁材料出来,往往是EMC工程师从众多厂家中挑选合适的磁环。而供应商常常对EMC工程师提出的要求无法满足,一方面是供应商对于自己产品的不了解,另一方面在于目前国内材料行业的落后。所以需要有相关的测量设备验证样品是否符合要求。
比如下面的磁环,是我找到为数不多的磁导率较高的样品。

IMG_20180413_103439.jpg
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a422877308
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副总工程师
  • 2018-5-6 12:43:34
 
幸运的是由于产品负载是低阻的,该磁环可以有效降低250KHz附近的噪声。
其实上面的仿真和LCR电桥在实际整改中可以不需要,只要公司有钱,可以在实验室尽情的尝试,总会找到合适的磁环,但是这将花费很多精力,而且外面实验室测试费用是昂贵的。成本上不如自己采购电桥、频谱仪等等设备。讲到这里不得不吐槽一下,目前众多的企业并不重视硬件研发上设备仪器的投入,精密电桥、进口的示波器、频谱仪是多数人的奢望。结果不得不在在产品的测试整改上花费大量的时间和金钱,重要的是没有专业工具辅助的工程师,往往不能抓住重点,因此影响个人技术积累。不幸的是上面的精密电桥是外面实验室的,我们公司也是严重缺乏设备投入,仅有一台罗德的示波器算得上能拿的出手,剩下的都是周立功,频谱仪也是垃圾,近场探头还是临时借的,而且功放模块坏了,在debug时候总是头疼的要死。
张东升
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高级工程师
  • 2018-6-27 10:31:50
 
期盼能分享更多内容,一直看您的帖子,感觉对EMC又多了一层认识。
admin
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管理员
  • 2018-6-27 17:32:29
 
感谢楼主耐心分享。。。
a422877308
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副总工程师
  • 2018-6-27 20:59:52
 
一直在搞别的事情,差点忘记这个帖子,记得之前有看到一个关于电感匝数的讨论,内容大概是磁环绕满一匝和半匝的区别。这里顺便说明一下,在磁环不开气隙的前提下,两者之间的感量是没有区别的,都按1匝算,只绕半匝时,导体在远端形成闭合回路,就是回路大了些,电感公式中,环形电感的计算公式与匝数有关,与绕组的大小,线径都没关系,所以对于完整的不开气隙的磁环,只要绕组铜线穿过磁环一次,就算一匝,持怀疑态度的朋友可以找个电桥试一下。对于开气隙的磁环或者变压器磁芯,上面的结论不适用,因为开气隙后磁环上各处磁通不相等,此时绕半匝和绕一匝的感量是有区别的,紧密的一匝和稀松的一匝在感值上也不一样。
a422877308
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副总工程师
  • 2018-6-27 21:39:52
 
   关于磁材料的使用,一直是很多EMC工程师较为头疼的一个问题,市面上磁环的种类,尺寸可以说成千上万,而且普遍缺乏详细的参数。我时常会发现一些不同寻常的磁环。当产品设计上需要加入磁环或者电感时,需要什么样参数的磁环往往令人费解,多数人在不断的尝试中总结经验。就像大家普遍认为非晶超微晶滤除几百khz以下低频,锰锌滤除的是几百khz到10mhz左右的中频,镍锌滤除的是几mhz到上百mhz的高频,这个是基于常规材料工艺的认识,虽不能说错误,但不够精确。总有个别情况,比如德国的一个非晶厂家,其带材可以做到微米级别,因为超薄的带材,其高频涡流损耗小,所以他们的非晶/超微晶磁环可以做到十几上百mhz。
   对于生产电源或者类似的厂家,个人建议建立一个磁环库,采用电桥测量磁环在典型频率下的感值,以及磁环的尺寸。有了这两个参数,相当于建立了一个材料库,可以随时获得需要磁导率特性的磁环,当产品中需要使用到异形的磁产品时,比如磁扣,UU磁芯,E型或者是古老的杆电感等等做滤波时,可以用到这些参数。
   比如,产品在2MHz噪声较高,于是在库中挑选出2mhz对应感量最高的磁环,计算出对应磁导率。将其放入软件中,计算同样材料,不同外形下制成的电感的感量,选择满足测试标准的方案,下面以磁扣为例,采用CST计算出3匝绕组对应的电感感值和空间磁场分布。采用这种设计一方面体积上更小,一方面设计更精准,可以通过专业的手段自由的调节EMI的幅值。
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a422877308
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副总工程师
  • 2018-6-27 21:54:33
 
关于EMC的逆向设计,有很多的整改措施,各种各样的小技巧,常见的屏蔽滤波接地措施这里就不赘述了,单独留一层,想起比较有趣的东西再拿上来分享。
rise_sight
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  • 2018-7-9 17:32:00
 
可以,期待分享有趣的东西(☆▽☆)
a422877308
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  • 2018-7-20 23:04:14
 
※ 电源去耦电容的最佳选择
之前讲了一大堆电感,现在来聊聊电容,电感和电容是硬件设计中至关重要的基础元件,有必要从它们讲起。
产品设计初期,原理图设计中的去耦电容选择一直是很多人关注的问题,曾经咨询过众多硬件工程师,给出的答案大致相同,均是根据芯片厂商给出的设计方案选型。实际情况是,厂商在提供demo板和对应方案时,是不会关注产品中其它子系统的。板上空间有限,选择合适的电容往往直接关系产品EMI特性。从接口滤波电容的选择上,首先必须符合安规规定,其次有关标准中规定了产品Y电容可选择的上限,比如国军标中就详细的规定了共模电容的上限。
2018-07-20_22-58-32.png
曾就上图划线位置的规定专门咨询了标准制定者陈世刚老师,原因在于多系统互联时,若某一系统共模电容过大,会将电源网络中的其他子系统中的噪声吸引过来,造成系统性电磁兼容问题。故规定了每一个子系统的电源端Y电容容值。




a422877308
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  • 2018-7-20 23:40:54
 
1、电压调节模块(VRM)

   电源输入端去偶电容的选择,需根据电源设计进行具体考量,对于小功率电源来讲,典型的像12V输入,220V AC输入等,它们的负载阻抗相对较高,输出电流较小,MOS开通和关断中主要产生的是电压噪声,这里需要记住,差模噪声类似电压源。因此对于这类电源,在输入端滤波电路中需要注意以差模为主,往往一颗小小的X电容便可以解决诸多问题。
  对于大功率电源,MOS或者IGBT等开通和关断中产生的噪声以电流噪声为主,共模噪声类似电流源,即使电路中共模阻抗较高(如共模电感),也很难将噪声电流降低,需要为共模噪声提供低阻抗通路,就需要在电源端加强共模噪声抑制措施,此时,Y电容的加入将会有效降低噪声幅值。而大功率电源往往会受安规,以及产品中的各类采样功能限制(如高压设备往往会有绝缘等采样电路),所以需要配合磁元件使用。

a422877308
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  • 2018-7-20 23:58:34
 
2、芯片供电和电源分配网络PDN
电源输出电压纹波需要满足要求,就需要对输出滤波电感和电容进行计算,保证足够余量,同时二次电源中芯片的供电,需要满足芯片瞬时电流需求,这点不用说大多数人都清楚。
在前面基本功能项满足的前提下,还需要控制电源分配网络的阻抗,一般来讲,需要保证其在100mhz以内整体阻抗小于1~2Ω,以确保多个芯片同时工作时,从电源网络中抽取电流的过程中,不会由于电源网络的分布电感而产生噪声电压/电流。
siwave中给出了主流电容厂家的电容参数(如下图),设计时需要根据情况选择和调整电容的容值。图中是4.7nF~0.47uF多个电容共同作用下的阻抗曲线,因为实际电容存在寄生参数,所以单一电容的阻抗曲线存在阻抗最小点(谐振点),当多个不同电容同时处于一个网络,会产生反谐振点,其对应的阻抗较高。
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a422877308
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  • 2018-7-22 12:05:43
 
※去耦电容位置的摆放
1、电源输入端,也叫电压调节模组(VRM)
输入端滤波电容必须符合从电源端到抽取端分别由小容值到大容值,并利用布线技巧,强迫电流路径按照接线顺序通过电容,这样可以将电源中的噪声电流最大程度上滤除。如下图所示
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rise_sight
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高级工程师
  • 2018-7-23 09:44:10
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催更催更
a422877308
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副总工程师
  • 2018-7-24 21:06:11
  • 倒数9
 
2、区域供电部分
系统中往往有许多不同功能类别的芯片,比如WLAN、以太网、HDMI、USB、DDR等,这些芯片将一块PCB划分为不同的区块,这些区块在电源引入端,通常都会使用磁珠Bead与去耦电容电路,去做区域供电的隔离,这样除了可以隔离电源平面的噪声,也可以在电源分配网络(PDN)设计时,利用群组的方法,快速的找到合适的去偶电容。
在区域供电设计中,去偶电容摆放顺序就改为由大到小,并确认电流路径必须要符合先经过大电容再到小电容,并且限制电流路径,如下图所示


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a422877308
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副总工程师
  • 2018-7-24 21:15:17
  • 倒数8
 
3、负载IC部分
负载IC在一些对噪声敏感的电源引脚上,都会独立接一颗去耦电容,如下图所示,这类电容一般都要求紧靠芯片引脚放置,且电流路径必须先经过去耦电容,然后再进入负载IC引脚,并限制电流路径。
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a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2018-7-24 21:51:57
  • 倒数7
 
关于去偶电容的选择上有非常多的文献中对其专门作出解释,具体又大致分为两大类,Bulk capacitor和SMD的ceramic capacitor
对于Bulk capacitor,一般指电解电容,薄膜电容,钽电容等等,这类电容容值大,ESR大,有平坦的频率响应特性。一般用于几khz到几mhz的电源支撑电容,或者滤波电容。
而ceramic capacitor,由电介质不同又细化为NPO,X7R,X5R,Y5V等等,这类电容总体上容值较小,ESR较小,工作频率在10~100mhz甚至更高频率。
NPO材质在这些种类中精度最高,有着最低的ESR,但是容值最大仅能做到几nF。X7R和X5R为一般常用到的电容材质,其容值范围从几nF到几uF,其中X5R最大可以做到100uF,Y5R材质可以做到更高容量。
ESR的讨论是电容研究中比较常见的话题,多数人单方面认为ESR越小越好。这种观点过于片面,低的ESR在射频领域是受欢迎的,因为射频电路希望做到较高的Q值,并且其器件的精度决定了可以精确控制器件的参数。而EMC领域没有那么“豪华”的配置,EMC器件往往有较大的误差范围,EMI频率又呈现宽频带,若器件的Q值过高,极易导致电路的谐振,产生相对初始情况更高的噪声幅值。而感性器件的磁导率往往与Q值呈现正相关,所以低频滤波电路中大电容的ESR对滤波是有帮助的。从电容寿命的角度看,ESR会使电容发热,加速老化。所以产品的设计中许多问题都是需要综合起来考量的。
hwx-555
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  • 2018-7-25 15:10:04
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关注中。
舒行科
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LV8
副总工程师
  • 2018-8-2 22:03:47
  • 倒数5
 
EMC仿真在产品设计中很重要,可以少走不少弯路。
舒行科
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  • 2018-8-2 22:04:29
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我们是同行哦
langyoush
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助理工程师
  • 2018-9-18 09:32:32
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专业好帖留名,学习一下
MISSQINGG
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LV1
本网技工
  • 2018-9-18 09:38:50
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好厉害的样子
a422877308
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LV8
副总工程师
最新回复
  • 2018-10-20 21:00:25
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好久没有更新了,十分抱歉。
电容的直流偏置
我们用到的陶瓷电容材质多数为X7R或者X5R的,此类陶瓷电容的容值范围大,封装小,成本低。所以大量应用在各种产品中(因为X7R的电容精度不够,一般为15%,所以射频领域较少应用,射频一般多选择C0G)。陶瓷电容内部由电极和介质陶瓷组成,X7R和X5R之类的介质陶瓷由于具有压电效应,所以在外加直流偏置电压时会遇到容值降低的问题。这类问题通常会很容易被忽视。如下图所示,随着电压的增加,电容的容值会逐渐下降,对应的去偶频率会跟着增加。所以在直流高压电路中使用去偶电容,应该充分考虑电容的直流偏置特性。
20160816103848263.jpg
当然,电容的容值也会随温度的变化,当温升较小时,变化并不明显,当环境温度在80℃以上时,电容容值迅速下降。我曾经拿热风*和LCR电桥与热电偶一起测试过电容随温度变化的情况,电容和电感均随着温度的增加而降低,不同的是电容随温度的变化速度远快于电感。

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