散热器形状对传导骚扰的EMC测试案例

本文主要针对散热器形状对传导骚扰测试的影响进行举例分析。

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现象描述

某充电器产品在进行电源端口的传导骚扰测试时，发现测试结果超过EN55022标准中规定的 CLASS B限值，其幅频曲线如下图所示：

究竟是什么原因导致的呢？具体问题要具体：

因为是电源端口的传导骚扰测试，所以要首先检查电源端口电路和布局。

根据超标频率，确定干扰源来源。

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原因分析

本产品是充电器，其中最重要的电路为开关电源电路，最大的传导骚扰可能来自于开关电源。

众所周知，对于开关电源来说，其主要的干扰源为开关管和变压器。

其干扰原理如下：

首先，开关管导通瞬间，初级线圈两端会产生浪涌尖峰电压。

开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁，这些本来本来可以传递到次级线圈的能量将和集电极电路中的等效电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，和关断电压叠加，从而形成关断电压尖峰，如下图所示。

这种干扰电压噪声会通过传导到达电源的输入输出端，形成传导骚扰。

开关电源的开关频率是一定的，这个开关频率会产生谐波，例如，本产品开关电源的基频为150kHz，其频谱图如下所示，从图中可以看出有很多150kHz整数倍的谐波信号产生。

基频的谐波信号产品的谐波电平幅度随频率的关系如下图所示，这些谐波电平会传递到电源线上形成传导骚扰，从前面测试超标的频谱图也正好验证了超标的频点来自于开关电源。

对于这种传导骚扰该如何解决呢？通常操作就是控制骚扰源的路径。

在开关电源中，由于功率开关管功耗往往较大，所以常常会安装散热器进行散热。

散热器的位置一般选择和开关管贴合，这样，在散热器和开关管分布电容的影响下，干扰会耦合到散热器上，使得散热器也成为了骚扰源中的一部分。下图说明了散热器对EMI的影响的原理：

散热器面积一般较大，容易与PCB中的信号线、器件、电源线、地平面等形成较大的寄生电容，从而成为传导骚扰的关键路径。

大家千万不要小看这些寄生电容，以上图（a）为例，若CS1=0.1pF，US1=300V，当频率为基频150kHz时，LISN测得的传导骚扰电压将会达到1400uV，这个值远超过标准EN55022中规定的CLASS B的限值（150kHz 630uV）。

以图（b）为例，若CS2=0.1pF，US2=300V ,当频率为基频150kHz时，LISN测得的传导骚扰电压将会达到700uV，这个值也超过标准EN55022中规定的CLASS B的限值。

平面间的耦合电容CS可以通过如下公式来估算：

CS=Ci+Cp

其中 Ci为固有电容，Cp为平面电容，单位为pF，

Ci=35*D

Cp=9*S（m2）/H 

D 为平面对角线长度，单位为m

H为两个平面的距离，单位为m

两块金属板面积均为10cm*20cm，则D=0.22m，S=0.02m2

两个金属板距离H=10cm

则可以得到:

Ci=35*0.22=7.7pF

Cp=9*0.02/0.1=1.8pF

平面间耦合电容CS=7.7pF+1.8pF=9.5pF

在开关电源设计中，为了防止散热器成为悬空的金属片，避免其变成辐射源，同时旁路掉噪声，通常会将散热器进行接PE或者功能地。

在本案例中，虽然散热器已经接了功能地，但是从下图中可以发现，散热器的面积比较大，并一直延伸到电源入口处，并覆盖了电源输入端共模电感Lx以及滤波电容C2。

因为散热器和共模电感以及滤波器电容距离较近，所以会产生相对较大的寄生电容，这样开关电源开关元件产生的骚扰通过寄生电容耦合或者直接传导的形式到达散热器中，散热器又通过寄生电容耦合到电源入口处，从而在导线上可以测到骚扰信号，而本应起到滤波作用的共模电感和滤波电容也失去了原本的作用。 

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处理措施

通过以上分析，修改散热器形状，使其不和Lx和滤波电容C2耦合，从而切断了骚扰源和前级电路的耦合路径，如下图所示：

修改之后，重新测试，测试通过，其测试频谱图如下所示：

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思考和启示

经过上面的分析，我们可以得到如下启示：

散热器虽然不是电子器件，本身不会产生干扰信号，但是如果安装不当，往往会成为传播骚扰信号的收发器，特别是在开关电源设计中，尤其要注意其形状和安装方法。

编辑：黄飞