Vicor Corporation · NASDAQ:VICR
Vicor — Technical Presentation (2019)
42 slides from Vicor's technical presentation, 2019
Slide 1: 基本 EMI 预合规性及故障排除技术
基本 EMI 预合规性及故障排除技术 刘广缘 高级应用工程师 ©2019 Vicor 1
Slide 2: 概览
概览 基本 EMI 测量与 LISN 共模及差模噪声源 使用仿真模型分析 EMI 预合规性 布局注意事项 电场探针、信号分配器以及简单的电流探针 广泛的故障排除案例历史记录 ©2019 Vicor 2
Slide 3: 序言
序言 如果您是从事电源电子产品工作的，迟早要了解 EMI 。最好早点了解， 以便为以后解决难题做好准备。问题总是会让您措手不及，您也没有那 么多时间来了解解决问题的方法。如果能在设计阶段早期时候就开始考 虑相关问题，并针对其进行设计，您就能开发出一些工具，这些工具有 一天将帮助您快速响应并解决问题，或者在问题成形前对其进行识别。 希望您能喜欢这些内容…… ©2019 Vicor 3
Slide 4: 什么是 EMI？
什么是 EMI ？ EMI 代表“电磁干扰”，一直用于描述当前使用的现代电源电子系统中观察到的多种不同噪声现象。 “ 干扰”一词现在用得有些不严谨。干扰是指某一设备的实际工作受到另一设备或外界信号源的破 坏。除非描述出预防装置、方法或测试 , 否则术语 EMI 一般不意味着实际干扰 。 EMI 的两个基本类型： – 辐射 EMI ，在远场使用天线测量 – 传导 EMI ，在电源入口端使用线路电阻稳定网络（ LISN ）测量。 传导 EMI 有两大类（本期研讨会的重点）： – 差模噪声（有时称作“正态模式”） – 共模噪声 ©2019 Vicor 4
Slide 5: EMI 如何耦合？
EMI 如何耦合？电子系统中有四个基本噪声耦合机 制 传导性 电容性 电感性 辐射性 与金属导体直接接触 因应用于导体间电容 由环路中快速变化的 由远场电磁耦合引起 引起的（纹波或接地 的快速变化电压而引 电流流动引起的（变 （天线效应） 问题） 起 压器作用） ©2019 Vicor 5
Slide 6: 如何在商业设备中测量传导 EMI？
如何在商业设备中测量传导 EMI ？ LISN — 线路阻抗稳定网 络 与接地相关联 的铜箔接地层 ©2019 Vicor 6
Slide 7: 线路阻抗稳定网络（商用产品）
线路阻抗稳定网络（商用产品） 50u UUT_L L1 250n R1 8u C2 39k C6 电源 L_M R7 5 R3 R4 1K 50 V1 受测单元的电源在这 EARTH 里提供 R5 R6 高频率扼流圈 L1 与 L2 可阻挡 1K 50 来自电源的高频率噪声。 R8 5 LISN — N_M C6 和 R7 以及 C1 和 R8 可形成 线路阻抗稳定网络 高频率分流，防止电源产生的高 250n 频率噪声进入受测设备的测量中。 C3 R2 39k 8u C1 50u UUT_N L2 ©2019 Vicor 7
Slide 8: LISN 阻抗图（仿真）
LISN 阻抗图（仿真） 100 阻抗大约是 150kHz 到 300MHz 的 50 欧姆，这是传导 EMI 阻抗（欧 的测量标准。 LISN 会随测量标准变化而变化，但目标是所 姆） 10 关注区域的平坦阻抗。 1 I :U2_UUT_L/:U2#UUT_L / Ohm 100m L_IN UUT_L U2 阻抗（欧姆） = V/I 50 R1 L_M 10m 0 V2 V LISN EARTH N_M AC 1 V1 N_IN UUT_N 1m 100u 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M Frequency / Hertz 频率 (Hz) ©2019 Vi
Slide 9: 测量滤波器
测量滤波器 您应该知道的几种测量 - 滤波技术： 峰值检测 准峰值检测 平均值 这种方法是所有 EMI 扫描的最快 该检测法是一种加权平均的形式，具 该方法会在峰值检测后使用一 方式。它所生成的振幅结果也是 有快速 种带宽比分辨率带宽低的滤波 最高的。 器。 使用包络探测器可以非常快速地 结果表明，频率峰值越高，平 响应振幅变化，但无法跟踪输入 上升时间常数和缓慢下降时间常数。 均值越低。平均值检测速度比 信号的瞬态值。 窄占空比信号将测得比峰值低的值， 峰值慢，但比准峰值快。 但随着频率或占空比的上升，测量值 就会开始接近峰值检测。准峰值检测 在所有 EMI 扫描中耗时最长。准峰值 检测具有
Slide 10: 测量流程
测量流程 Start Peak Detector Quasi-Peak I s Peak <AVG limit? No I s Peak <QP limit? No Detector Yes Yes Average I s QP <QP limit? Detector Yes No Yes I s AVG <AVG Limit? I s QP <AVG limit? No Yes Pass!! Fail ©2019 Vicor 10
Slide 11: 差模噪声（也叫正态模式）
差模噪声 （也叫正态模式） 差模噪声有时也叫正态模式噪声，这是有原因的。它是由噪声源和噪声返回之间施加的电压 差异（相反极性）而产生 可能因上述四种耦合方法中任意一种或全部四种（希望不会！）而产生 正常的电路工作在本质上也是差动性的 差模噪声只需要两根电线或一根电线和接地 差模噪声电流在输入馈电或 AC 线与零线间，以相反方向流动 输入电压纹波和输出电压纹波是差模噪声中常见的实例 差模噪声会以所有的馈电形式出现：包括双线和三线馈电 ©2019 Vicor 11
Slide 12: 差模噪声理想的 CCM 降压转换器模型 SIMPLIS
差模噪声理想的 CCM 降压转换器模型 SIMPLIS 该纹波电流负责将在 LISN 中 考虑使用所示的开环 测量的差模 EMI 。 12V-3.3V 理想降压转 换器 我们关注这些纹波电流，因 为它们负责节点 Vin 上测得 的纹波电压。这种纹波电压 是在基波以及大量谐波含量 中出现的差模 EMI 的来源。 ©2019 Vicor 12
Slide 13: 添加我们的 LISN
差模噪声理想的降压转换器 为了生成噪声模型，我们对线路做了如下修改： 添加我们的 LISN 等效电路 ©2019 Vicor 13
Slide 14: 共模噪声
共模噪声 共模噪声总是在两个输入馈电（ L 与 N ）中从施加在线路与接地 ( 底座、基板和测试设备等 ) 之间的 电压 , 以相同的方向流动。 其路径可能是最难确定的，因为它几乎涉及所有连接接地的设备。 需要接地或具有隔离接地的三线系统。 非隔离式 DC-DC 转换器无需考虑太多共模噪声的问题（有时！！）。 基于此类被测电路，测试设备可能很容易受到影响。 将输出（ - ）连接至接地的隔离式转换器会在输出端产生共模 + 差模纹波。 如果接地测试设备间有高共模噪声在流动 , 那么共模噪声可对非隔离式 DC-DC 转换器造成影响。 ©2019 Vicor 14
Slide 15: 共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑
共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑 10p 10p 50m C7 C1 Si9956DY L_IN UUT_L U2 R6 Si9956DY 100p 1 1m L_M 1m C17 10p 100p B+ 48 C18 Q4 R20 A+ V3 C3 V1 R14 Q1 C8 B- LISN EARTH 100u IC=46.8 E2 N_M P1 A- 10m N_IN UUT_N R13 10p 10p 10p B+ V2 Si9956DY C4 C5 S2 S1 L1 L3 C6 200p TX1 200p Si9956DY 1m 100p 100p 1 C16 1m B- R19 Q2
Slide 16: 共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑
共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑 10p 10p 50m C7 C1 Si9956DY L_IN UUT_L U2 R6 Si9956DY 100p 1 1m L_M 1m C17 10p 100p B+ 48 C18 Q4 R20 A+ V3 C3 V1 R14 Q1 C8 B- LISN EARTH 100u IC=46.8 E2 N_M P1 A- 10m N_IN UUT_N R13 10p 10p 10p B+ V2 Si9956DY C4 C5 S2 S1 L1 L3 C6 200p TX1 200p Si9956DY 1m 100p 100p 1 C16 1m B- R19 Q2
Slide 17: 共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑
共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑 20p 20p 50m C7 C1 Si9956DY L_IN UUT_L U2 R6 Si9956DY 100p 1 1 L_M 1 C17 20p 100p B+ 48 C18 Q4 R20 A+ V3 C3 V1 R14 Q1 C8 B- LISN EARTH 100u IC=46.8 E2 N_M P1 A- 10m N_IN UUT_N R13 10p 20p B+ V2 Si9956DY C4 S2 S1 L1 C6 100p TX1 Si9956DY 1 100p 100p 1 C16 1 B- R19 Q2 C19 A+ Q3 R21 A- E1
Slide 18: 共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑
共模噪声源 — 隔离式全桥拓扑 20p 20p 50m C7 C1 Si9956DY L_IN UUT_L U2 R6 Si9956DY 100p 1 1 L_M 1 C17 20p 100p B+ 48 C18 Q4 R20 A+ V3 C3 V1 R14 Q1 C8 B- LISN EARTH 100u IC=46.8 E2 N_M P1 A- 10m N_IN UUT_N R13 10p 20p B+ V2 Si9956DY C4 S2 S1 L1 C6 100p TX1 Si9956DY 1 100p 100p 1 C16 1 流过 LISN 的电流是测得 B- R19 Q2 C19
Slide 19: 降压稳压器什么时候会产生共模噪声？
降压稳压器什么时候会产生共模噪声？ 考虑如下所示的与电子负载相连接的简化降压稳压器 由 LISN 供电，用来测量 EMI 。谁能找出共模 EMI 源？ ©2019 Vicor 19
Slide 20: 接地什么时候会有寄生电容
接地什么时候会有寄生电容 在 LISN 的电压 , 对地同相的是为共模 EMI, 反相的是为差模 EMI 。 噪声源为输出纹波！ 流过寄生电容的电流 , 在每个 50 欧姆到接地端口测量时 , 以同相电压出现在 LISN ! ©2019 Vicor 20
Slide 21: 布局很重要！
布局很重要！ 到目前为止，我们一直在仿真和讨论理想布局的滤波器。根本就不存在理想的布局。大多数布 局都有妥协，因为有许多资源都需要 PCB 面积。 寄生电感出现 ESL 时，将限制电容的高频率性能！ 若 PCB 布局不做到优化滤波器的性能，可使您的滤波器需要更多级。 没有专用接地层的双面 PCB ，很难实现最佳滤波效果。 您还可以为每个互连通孔和迹线的电感及电阻建模。 提取寄生电感和电阻，对于了解潜在的 EMI 来源（振铃）以及 EMI 滤波器的整体性能十分重要。 ©2019 Vicor 21
Slide 22: 从原理图……
从原理图…… ©2019 Vicor 22
Slide 23: 到 PCB 布局……
到 PCB 布局…… PGND 的铜箔连接 PGND HS MOSFET 漏极 PGND L1 环路周围的寄生路径必须在最终仿真 与分析中考虑到，否则您会发现，滤 Q1 波衰减就不那么准确。使用理想的滤 波器原理图生成一个通过的结果，然 后根据布局进展对其进行修改，以便 更好地考虑实际布局。 VIN
Slide 24: 所提取的从 L1 到 HS MOSFET 漏极及 PGND 的布局
所提取的从 L1 到 HS MOSFET- 漏极及 PGND 的布 局 ©2019 Vicor 24
Slide 25: 工具 — Beehive
工具 — Beehive 100 包含宽带射频放大器和线缆 3 颗 H 场探针和 1 颗 E 场 探针 100D 是最右侧的 E 场探针 按套件购买，必备！ 为小场探针使用放大器，因其灵敏度较差。较 大的探针可帮助您找到攻击性信号的大致区域， 而较小的探针则可帮助您更密切地对其进行追 踪。 ©2019 Vicor 25
Slide 26: 工具 — 功率分配器
工具 — 功率分配器 ZSCJ-2-2+ Mini-Circuits 阻隔共模 ZSC-2-2+ Mini-Circuits 阻隔差模 LISN-L LISN-N LISN-L LISN-N 都需要双 LISN 或两个单个 LISN 分析器 分析器 必须使用匹配的、长度相同的 衰减同相信号 衰减反相信号 同轴线缆。长度尽量要短 ©2019 Vicor 26
Slide 27: 工具 — Swartzomatic-1
工具— Swartzomatic-1 手绕式 HF 电流探针 测量 CM 及 DM 电流 高导磁率磁心 50 欧姆线缆 宽 BW ，高灵敏度 与传统电流探针相比，更适合 振幅极低的高频率电流。 将电线以相同方向穿过磁心，可测量共模电流， 以相反方向穿过磁心，则可测量差模电流。 ©2019 Vicor 27
Slide 28: 工具 — Swartzomatic-2
工具— Swartzomatic-2 手绕式近场探针 有助于在 PCB 上找到高 H 场 使用 RG-58U 手工制造 50 欧姆线缆 共模磁珠可以作为一个选项添 加至线缆 连接至示波器上 50 欧姆的终端。在 PCB 上移动时，从较高 的 volts/div 开始。随后降低 volts/div ，以便确定近场位置。 而然后使用敏感度较低的探针（ Beehive ）跟踪所关注的噪 声电流带来的攻击性 H 场。在不连接电路的情况下，实现优 异的触发器。 ©2019 Vicor 28
Slide 29: 故障排除 — 设计挑战
故障排除 — 设计挑战 250W+ 临界传导降压稳压器 – 效率必须是 96% 以上，开关频率高达 700kHz – PCB 面积小、隔离金属盒外壳，密封。 – 高达 65°C 的高环境温度 热管理 – 电源 SiP 和 PCB 需要与底盘进行热连接，以便散热。 – 这导致接地层不太理想，增加了寄生电感。 CISP25 传导 EMI – 需要双级滤波器 , 因第二谐波需 -40dB 的衰减 ©2019 Vicor 29
Slide 30: 工具 — 为我所用
工具 — 为我所用 功率级与滤波器设计的优异仿真模型 – 对带滤波器的电源系统执行了 AC 及瞬态分析，无任何问题 – 在分析结束后对布局进行了寄生提取。 测试设备 – 前面显示的所有工具，加上频谱分析仪和示波器。 – LISN 、差分放大器和一款良好的网络分析仪。 ©2019 Vicor 30
Slide 31: EMI 故障排除 — 所用的滤波器
EMI 故障排除 — 所用的滤波器 为了便于说明， EMI 滤波器显示如下（理想化） EMI DM 噪声源 EMI 可在每个 50 欧姆接地电阻器 两端测得 高振幅、高频率 AC 电流在该环路中“晃动”。其两端产生 的电压为滤波器需要衰减的差分噪声源 ©2019 Vicor 31
Slide 32: EMI 故障排除 — 初期测量
EMI 故障排除 — 初期测量 高频率 EMI 完全出于意料。唯一与预期一 致的是基频。 受初期测量启发，我写了一本名为《您以为您了解 EMI 》的新书！ EMI 可在每个 50 欧姆接 地电阻器两端测得 ©2019 Vicor 32
Slide 33: EMI 故障排除 — 初期测量
EMI 故障排除 — 初期测量 在客户电路板上的 SiP 输入端测得 DM 信号：高频率 （ 6-10MHz ）高出 8-12dB ，能感觉到非常明显的振 DM 信号在接地层更好的评估板上测 铃。 量。 ©2019 Vicor 33
Slide 34: EMI 故障排除 — 接地层差异
EMI 故障排除 — 接地层差异 客户布局 MID-1 PGND 输入电容器 输入电容器 VIN 为主要热源 , 客户的设计需所有的 4 层来带走，以形成坚固散热盘结合到冷板。注意，需要大量通孔将热负载通过电路板传递给 散热盘。接地层被破坏。 评估板顶层 评估板 MID-1 层 注意，接地层只能被一小部 分通孔破坏，周边堆满了铜。 寄生电感更低，但热阻抗太 输入电容器 高，无法满足散热需求。 ©2019 Vicor 34
Slide 35: EMI 故障排除 — 我知道的和我不知道的 — 下一步
EMI 故障排除 — 我知道的和我不知道的 — 下一步 是什么？ 在输入至 SiP 端测得的 EMI 表明，在 EMI 失效的区域有明显的高频率振铃。 我认为这种振铃是由于布局更高的寄生电感及更高 Q 噪声环路导致的 该频率是如何通过 EMI 滤波器的？滤波器是否有缺陷？ 噪声是否会绕过滤波器？ 近场被电感器中的高通量所污染？ 高电压跳动引起的电容耦合？ 辐射 EMI 进入 LISN ？ 是共模噪声，还是差模噪声？ ©2019 Vicor 35
Slide 36: EMI 故障排除 — 下一步
EMI 故障排除 — 下一步 确定噪声是 CM ，还是 DM…… EMI 可在每个 50 欧姆接地电阻器两端测得 在 LISN 与频谱分析仪之间增加功率分配器。阻断 CM 噪声，没有影 响高频率测量。阻断 DM 噪声，可将所有高频率发射降低 30dB 结论：攻击性信号为差分信号 ©2019 Vicor 36
Slide 37: EMI 故障排除 — 下一步
EMI 故障排除 — 下一步 确定 EMI 滤波器的哪些部分工作正常…… 使用差分放大器测量该电压。采用 FFT 并测量第一级 滤波器的衰减。 - 与仿真预期结果匹配吗？接近！第一级工作情况似 乎与设计相符。 使用差分放大器测量该电压。采用 FFT 并测量二阶 第二级 DM 滤波器的衰减。 - 与仿真预期结果匹配吗？不能！ 这里有 8MHz 及其它高频率噪声。 与仿真完全不相关。 ©2019 Vicor 37
Slide 38: EMI 故障排除 — 下一步
EMI 故障排除 — 下一步 打开电路并使用网络分析仪对两个滤波器进行扫描 - 仿真中出现的衰减接近吗？接近！ 检查第二级滤波器的仿真模型。 第一级及第二级滤波器看来在小信号方面工作正常。 有没有漏掉的东西，如电感器磁心的自谐振？ 移除 LISN 的 48V 和短路输入 ©2019 Vicor 38
Slide 39: EMI 故障排除 — 下一步
EMI 故障排除 — 下一步 1. 最高 H 场是电感器。起点 很好。 - 能证明这里的 8MHz 在发 4. 检测到探针 C17-C19.8MHz 及其它频率！接下 出振铃声吗？不能！ 使用场探针隔离出污染来源位置 来，改变输入电压。 这里没有证据，也不在输出 - EMI 振幅是否会随输入上升而增加？ 电容器。 如果会，这可能预示着电容耦合。如果 EMI 随负 载变化而变化，则 H 场耦合很可疑。在这例子， 它只随负载变化而变化。 3. 每个电容器 C2-C6 2. 高 AC 环路与 SiP 的每个电容 及 L2 周围的探针。 器周围的探针。 - 有 8MHz 的证据吗？ - 有 8MHz
Slide 40: EMI 故障排除 — 修复布局
EMI 故障排除 — 修复布局 隔离问题区域和实施的修复 修正实施 怀疑有耦合的区域 使用近场探针在这里探测到了 8MHz ©2019 Vicor 40
Slide 41: 鸣谢
鸣谢 以下材料用于本演示的参考： – 《设计控制传导发射》，作者： John C.Fluke （这是一本非常不错的书， 强烈推荐） – 《使用 SPICE 仿真器预测差分传导 EMI 》， Christopher Basso ， 1996 年 4 月 12 日 – 《执行 EMI 合规性测量》安捷伦技术应用手册 – CISPR 22 ，第四版 ©2019 Vicor 41
Slide 42: 谢谢大家！有问题吗？
谢谢大家！ 有问题吗？ 本文包含的、 Vicor 提供的信息仅供一般性参考之用。 Vicor 不对本演示的不准确性、错误或遗漏承担任何责任。电源产品用户仍对与此类使 用有关的设计、测试和工作安全保护负责。 ©2019 Vicor 42