電源和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電磁兼容性(EMC)考慮因素

引言

在新冠肺炎疫情造成停工期間，我的車閑置了幾個星期，由于電子設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，電池最終耗盡，導(dǎo)致汽車無法啟動。我去了一趟配件店，買了一個新的“智能”充電器，價格出奇便宜，我將其連接，然后就開始等待效果。它確實(shí)起了作用，但也破壞了房子的無線網(wǎng)絡(luò)。盡管在該設(shè)備上發(fā)現(xiàn)了 CE 標(biāo)志和一系列認(rèn)證印章，但它顯然具有大量的射頻 (RF) 輻射，這是電磁不兼容的典型例子。

無論問題是由輻射還是傳導(dǎo)發(fā)射引起的，充電器都必須符合已發(fā)布的強(qiáng)制性電磁兼容性(EMC) 標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)還包括對主電源諧波發(fā)射和“閃爍”的限制，以及對規(guī)定水平的磁場、電場和電磁場的抗擾性；線路浪涌和瞬態(tài)；以及靜電放電。全球使用的標(biāo)準(zhǔn)為 IEC 61000 系列。

您應(yīng)該期望看到的濾波

充電器的設(shè)計者還有什么可以做得更好？首先看傳導(dǎo)發(fā)射，該產(chǎn)品作為開關(guān)模式電源，可以產(chǎn)生線對線差模 (DM) 和線對地共模 (CM) 噪聲（圖 1）。DM 輸入噪聲通過線對線“X”電容器和串聯(lián)電感器衰減，因此，在尺寸和成本限制范圍內(nèi)，可以輕松將足夠高的元器件值降至較低水平。設(shè)計者通常試圖將電容值保持在 100 nF 以下；然而，如上所述，元器件必須在規(guī)定的時間內(nèi)放電到安全電壓，從而強(qiáng)制增加并聯(lián)電阻。此外，如果永久留在電路中，電阻器的恒定泄漏電流可能會使符合待機(jī)和空載損耗標(biāo)準(zhǔn)成為問題。盡管電感器的值可以很高，但它們通過最大交流運(yùn)行電流；因此，為了避免飽和，這些值有時必須實(shí)際上很高。在這方面，鐵粉或氣隙鐵氧體類型就是典型的例子。

圖 1：AC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入端的差模和共模噪聲

雖然對 DM 噪聲沒有直接的法定限制，但對 CM 噪聲有限制，并且 CM 的典型測試方法使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)，符合多媒體設(shè)備的 CISPR 32 等所要求的標(biāo)準(zhǔn)。然而，LISN 也記錄了一半的 DM 噪聲，因此有充分的理由對其進(jìn)行衰減。來自線路和中性點(diǎn)接地的 CM 噪聲往往以電流源的形式進(jìn)入 LISN 的低 50 ohm 阻抗，而來自線路或中性點(diǎn)接地的“Y”型電容器提供了一個局部回流路徑，因此噪聲不會在外部循環(huán)，從而記錄在 LISN 中。然后，每條電源線上有一個耦合繞組的 CM 扼流圈，作為轉(zhuǎn)換器和電源之間的屏障。它可以使用高磁導(dǎo)率無氣隙鐵氧體，因?yàn)槔@組與相位相關(guān)，所以運(yùn)行電流會磁性抵消，為 CM 噪聲元件留下高阻抗。CM 扼流圈可以通過控制繞組之間的泄漏電感進(jìn)行纏繞，從而產(chǎn)生 DM 和 CM 衰減的組合。

瞬態(tài)濾波水平取決于安裝過電壓類別

除了衰減發(fā)射，AC/DC 輸入濾波器還提供了對輸入過電壓的抗擾性，這些過電壓可以是高電壓、低能瞬變和突發(fā)，也可以是低電壓的浪涌。觀察到的水平取決于 I 至 IV 級（嚴(yán)重程度不斷增加）的安裝過電壓類別 (OVC)（表 1）。

表 1：過電壓類別的定義

充電器應(yīng)至少符合 OVC II 標(biāo)準(zhǔn)，這通常需要添加輸入瞬態(tài)抑制器元器件，如壓敏電阻 (VDR)。相反，如果是 OVC IV，您會看到高能額定 VDR，可能還有多個氣體放電管。

此外，如果對充電器進(jìn)行了是否符合歐盟 EMC 指令的評估（如其 CE 標(biāo)志所示），則充電器還必須不受特定水平的外加電場、磁場和 RF 場以及靜電放電 (ESD) 的影響。此處輸入濾波不是解決方案，但良好的內(nèi)部布局和設(shè)計實(shí)踐通常也有助于滿足發(fā)射限制。

設(shè)計從“集總”元器件開始

任何開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器設(shè)計都可以從所選拓?fù)渲械募傇骷_始，并計算一階性能。但是，如果考慮到 EMC 因素，則必須使用“真實(shí)”而非“理想”元器件（圖 2）。元器件的高階或“寄生”特性通常會導(dǎo)致EMC 問題。例如，這些可能是對地雜散電容導(dǎo)致 CM 噪聲電流，或者是連接的串聯(lián)電感導(dǎo)致輻射。甚至圖 2 中描述的真實(shí)元器件也很簡單。通常，寄生值是非線性的，例如電容器 ESR 隨頻率劇烈變化。此外，一些寄生現(xiàn)象的特征存在不連續(xù)性。例如，MOSFET 總輸入電容根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在有效值之間交替變化。

圖 2：一階的“理想”元器件及其“真實(shí)”等同物

除了直流電阻（僅隨溫度變化）之外，即使是電線和軌道連接也具有隨頻率和材料變化的交流電阻。這是由于固有電感和導(dǎo)體中心渦流抵消引起的“趨膚效應(yīng)”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，頻率為 f 的電流在銅導(dǎo)體中傳播的深度為 δ = 66/√f（圖 3）。例如，在 100 kHz 下直徑為 0.4 mm 的電線應(yīng)不會出現(xiàn)趨膚效應(yīng)。在大多數(shù)情況下，這是一個極其近似的值，但δ 實(shí)際上是電流下降到 1/e 或總電流的 37%（非零）的深度，嚴(yán)格適用于正弦波（而不是轉(zhuǎn)換器設(shè)計中經(jīng)常觀察到的復(fù)雜交流波形）。

圖 3：由于“趨膚效應(yīng)", 交流電流集中在導(dǎo)體外表薄層, 這取決于材料和頻率。

局部耦合效應(yīng)

導(dǎo)致 EMC 問題的兩個主要不利影響是信號的電感和電容耦合，這會導(dǎo)致傳導(dǎo)和/或最終輻射發(fā)射。來自電流階躍的感應(yīng)電壓被量化為 E = -L.di/dt?，F(xiàn)代轉(zhuǎn)換器設(shè)計可以產(chǎn)生 1000 A/μs 的電流邊沿速率；因此，只有 10 nH 可以產(chǎn)生 10 V 電壓尖峰。這種電感只有幾毫米的走線或布線。

同樣，電流是通過雜散電容感應(yīng)的 I = C.dV/dt，電壓邊沿速率可以達(dá)到 50 kV/μs，僅通過 10 pF 就產(chǎn)生 500 mA 的位移電流，這是變壓器隔離電容的典型值。

這些指的是電流和電壓脈沖。波形的基頻和低次諧波的穩(wěn)定 RMS 值要小得多，并且是頻譜分析中 EMC 發(fā)射評估中記錄的值。RMS 值可以從開關(guān)波形的傅立葉分析中獲得，然后從簡單的阻抗計算（例如，E = 2πfL.i 或 V = i/2πfC）中獲得這些頻率下的電流和電壓。諧振轉(zhuǎn)換器使計算更加簡單。

近場和遠(yuǎn)場效應(yīng)

在距離源很近的地方，很難量化場的影響。正如我們已經(jīng)看到的，改變電場或“E”場會通過雜散電容在導(dǎo)體中感應(yīng)出位移電流，而改變磁場或“H”場會在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓。這是在“近場”中，距離源 r 處的效應(yīng)按比例減少到 1/r2 或 1/r3。在更遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場”中，這些效應(yīng)轉(zhuǎn)化為組合電磁 (EM) 輻射，以 1/r 的速率下降。這是通過假設(shè)輻射是全向的而得出的結(jié)論。近場和遠(yuǎn)場之間的邊界取決于源的物理尺寸 D 和波長 λ，盡管可以近似為： 對于源尺寸 <λ，r = λ/2π

對于源尺寸 >λ，r = 2D2/λ

關(guān)于典型的功率轉(zhuǎn)換器基本開關(guān)頻率，源尺寸肯定小于波長，并且 r 在幾十米的范圍內(nèi)；因此，所有的局部效應(yīng)都是近場效應(yīng)。在高次諧波水平，例如在 GHz 量級，對于毫米大小量級的源，邊界在毫米范圍內(nèi)。EM 輻射標(biāo)準(zhǔn)反映了這一點(diǎn)，規(guī)定的限值通常最高為 1 GHz，在相對較短的固定距離處測量。

電流耦合所起的作用

不必要的耦合可以是簡單的電流耦合，即來自源的電流在連接中流動，并降低過高的電壓，或者與其他電流路徑混合產(chǎn)生“串?dāng)_”。PCB 走線通常是罪魁禍?zhǔn)?，并可能產(chǎn)生顯著的直流電阻：35 μm (1oz) 厚的銅片，長 10 mm，寬 1 mm，在 25°C 時電阻接近 5 mΩ，在 85°C 時電阻上升到 6 mΩ。電流流經(jīng)該電阻時產(chǎn)生的壓降會疊加到流經(jīng)同一連接的任何其他功率或信號電流上，從而可能導(dǎo)致干擾。走線對交流的阻抗更復(fù)雜，取決于與相鄰走線、接地層和其他元器件的距離。例如，如圖 4 所示，在材料相對介電常數(shù)為 εr，間隔為 H 的接地層或簡單微帶線上，寬度為 W、厚度為 t的走線具有以下特性阻抗 Z0：

Z0 = (87/√[εr +1.41]). ln(5.98 H/[0.8 W + t])ohms

圖 4：具有特性阻抗 Z0 的 PCB

對于典型的 PCB，εr =4，H = 0.76 mm，T = 35 μm；因此，1 mm 寬的銅質(zhì)走線將具有大約 65 ohm 的特性阻抗 Z0。該值非常重要，因?yàn)樵撝蹬c走線中高頻電流的拉電流和灌電流阻抗之間的任何不匹配都會導(dǎo)致開關(guān)邊沿出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。

過孔也并不完美

層之間的過孔也可以通過其寄生效應(yīng)予以表征。如圖 5 所示，如果外徑為 D，內(nèi)徑為 d，未填充，長度為 T，則電感如下：

L= 2T(ln(4T/d) + 1)nH

同時，電容如下：

C = 0.55 εrTD(D - d)pF

圖 5：過孔尺寸

對于典型的未填充過孔，這些值分別為 1.2 nH 和 0.33 pF。此外，直流電阻約為 0.5 mΩ，而熱阻約為 100°C/W。

有時，不可能理想地分離轉(zhuǎn)換器功率路徑中的電流。如圖 6 所示，經(jīng)典降壓拓?fù)渚褪沁@樣一個例子，其中公共接地點(diǎn)的“星形”連接為最佳連接，但由于電路的能量存儲和釋放階段有多個電流回路，因此其位置無法達(dá)到最佳。此外，反饋信號的最佳公共接地點(diǎn)不一定與功率路徑相同。

圖 6：帶星點(diǎn)接地的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)最佳折中。

結(jié)論

本文涉及了實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器中元器件和連接之間低交互所需的一些設(shè)計考慮因素，這可能有助于實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)和輻射發(fā)射以及標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性。此外，我們還提供了一些現(xiàn)實(shí)生活中的寄生值，以便了解這些影響的規(guī)模。RECOM 最近出版的 EMC 知識手冊是本文的主要來源。至于電池充電器，拆卸后發(fā)現(xiàn)，盡管有金屬外殼，但沒有安全或 EMI 接地連接，沒有 VDR，沒有安裝“X”電容器的空間，扼流圈位置也被捆扎起來。也許設(shè)計者有讓產(chǎn)品通過資格認(rèn)證的正確想法，但是削減成本的念頭還是蓋過了正確意圖。

審核編輯：湯梓紅