基于AC/DC和DC/DC電源模塊的最佳EMI性能設(shè)計(jì)方案

電磁干擾（EMI）始終是開關(guān)電源（AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器）的潛在問題。如今的電源有很好的電磁發(fā)射和抗干擾的能力。但為了滿足特定的應(yīng)用要求，仍要有正確的濾波電路以確保滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　本文提供了實(shí)現(xiàn)AC/DC和DC/DC電源的最佳EMI性能以及如何選擇外部濾波器件的指南。

　　設(shè)備的電磁兼容性（EMC）涵蓋了傳導(dǎo)、輻射、靜電放電（ESD）、以及AC/DC電源的輸入線電流失真。在歐洲，EMC指令2014/30/EU要求終端設(shè)備符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，我們將介紹AC/DC和DC/DC開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射原理，并實(shí)例剖析濾波器件的選擇對(duì)EMI性能的影響。

　　高效率可能導(dǎo)致高噪音

　　工程師非常熟悉開關(guān)電源的高效率會(huì)帶來小體積和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但許多人也深受電噪聲的困擾。然而，先進(jìn)的設(shè)計(jì)會(huì)選擇使用低噪聲的器件和拓?fù)鋪砀倪M(jìn)噪聲，例如諧振拓?fù)洹！邦l率抖動(dòng)”之類的技術(shù)也有助于降低測(cè)量帶寬中的電磁輻射。開關(guān)電源中的噪聲來源于半導(dǎo)體的快速切換，通常想獲得高效率，開關(guān)波形上升和下降的時(shí)間是以納秒為單位的，高的dV/dt和di/dt電平不能完全被開關(guān)電源所抑制，就有可能在輸入或輸出線上呈現(xiàn)出傳導(dǎo)的電壓或電流尖峰噪聲。根據(jù)傅里葉分析，一般開關(guān)波形的電磁輻射分析如圖1所示，隨著上升/下降時(shí)間Tr， Tf減小，輻射帶寬也隨之增加，而增加的幅度則受到Ton/Tp ［1］波形占空的影響。

圖1：開關(guān)波形的電磁輻射

噪音類型

? ? ? ?傳導(dǎo)噪聲有差分模式（DM）和共模（CM）兩種類型，它們通常在某種程度上同時(shí)存在。DM噪聲為電力線回路之間測(cè)得的電壓。CM噪聲為電源線和系統(tǒng)接地之間測(cè)得，通常為定義阻抗的電壓。這是因?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換器通常是高頻CM噪聲的電流源。這兩種類型的噪聲如圖2所示。

　　圖2：可能存在的噪音類型

　　示波器或分析儀可以輕松測(cè)量DM噪聲，但CM噪聲需要使用標(biāo)準(zhǔn)終端網(wǎng)絡(luò)，如線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）。這包括所需的定義終端阻抗和濾波以隔離來自上游電源的任何影響。LISN由CISPR標(biāo)準(zhǔn)定義，IT設(shè)備通常由CISPR 22規(guī)范，專門測(cè)量AC/DC轉(zhuǎn)換器噪聲但也用于DC/DC轉(zhuǎn)換器。LISN輸出是DM和CM噪聲的加權(quán)組合，因此即使沒有CM噪聲也可以檢測(cè)到一半幅度的DM噪聲。這意味著必須衰減DM和CM噪聲才能滿足CISPR 22及EN 55022標(biāo)準(zhǔn)。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入濾波器

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)一定會(huì)有噪聲，雖然沒有一個(gè)專門的標(biāo)準(zhǔn)限制，但是整體上必須符合EMC的規(guī)定。板載DC/DC制造商在產(chǎn)品中至少包含一個(gè)并聯(lián)輸入電容，因此噪聲通常都在可以接受的范圍之內(nèi)。在應(yīng)用中如果需要更低標(biāo)準(zhǔn)的干擾電平，制造商通常會(huì)建議在外部添加一個(gè)L-C濾波器以降低DM噪聲，如圖3所示的L和C1。

圖3：DC/DC轉(zhuǎn)換器之濾波組件

有人可能會(huì)想干脆使用較大的L和C值，認(rèn)為這樣可以將噪聲降到最低，但這可能適得其反，因?yàn)榇蟮碾姼辛靠赡軒肀容^大的直流電阻，造成較大的壓降和銅損，且大電感的磁飽和也是一個(gè)比較突出的問題。較大的L和C值自諧振的頻率點(diǎn)較低，進(jìn)而導(dǎo)致DC/DC輸入有振鈴和過電壓的可能性，甚至有可能讓噪聲頻譜更差。圖4顯示了沒有濾波器的轉(zhuǎn)換器噪聲的例子，以及只安裝了L和C1，然后再添加C2的例子，反而得出更高的峰值。

圖4：額外增加濾波電容后反而使EMI惡化

　　另一個(gè)可能發(fā)生的問題是不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器控制回路。當(dāng)濾波器在諧振點(diǎn)的輸出阻抗接近DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗時(shí)就會(huì)發(fā)生負(fù)遞增現(xiàn)象，即，當(dāng)輸入電壓上升時(shí)輸入電流會(huì)下降。Middlebrook［2］研究了這種效應(yīng)并得出結(jié)論，輸入濾波器的輸出阻抗必須遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。這可以通過圖3中R和C5阻尼電路來實(shí)現(xiàn)。C5的容值要遠(yuǎn)大于5倍的C2，而R是=SQRT（L/C2）。電解電容的省耗因子也能達(dá)到類似的效果，但是電容和電阻損耗一樣不能很好地控制。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器通常不會(huì)有CM噪聲的問題，因?yàn)檩斎牒洼敵龆伎梢宰鼋拥靥幚?。如果輸入是浮地設(shè)計(jì)，可以加裝電容器C3和C4以降低CM噪聲。然而，如果轉(zhuǎn)換器需要符合高壓AC輸入的安規(guī)要求，可允許的電容值會(huì)有所限制。C3和C4值決定可流動(dòng)的最大交流漏電流，并且必須符合瞬態(tài)電壓和額定值的‘Y’安規(guī)電容。在極端的情況下或極為敏感的應(yīng)用中可能需要使用兩個(gè)電容串聯(lián)，例如：在與患者直接接觸的醫(yī)療設(shè)備中使用兩個(gè)電容串聯(lián)以防止其中一個(gè)電容短路的特殊情況。

　　在一些應(yīng)用中，DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入可能需要電壓瞬態(tài)抑制電路。例如，汽車和鐵路行業(yè)建立了一個(gè)瞬態(tài)抑制電壓的標(biāo)準(zhǔn)，但在其他應(yīng)用領(lǐng)域中并沒有明確定義。最近的歐標(biāo)EN IEC 61204-3：2018直流輸出低壓供電裝置第3部分： 電磁兼容，尚未被廣泛接受，但該標(biāo)準(zhǔn)有定義不同應(yīng)用類別的DC/DC轉(zhuǎn)換器的過電壓。

　　AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器

　　實(shí)際上，AC/DC轉(zhuǎn)換器的情況比較單純。大功率的產(chǎn)品通常直接連接到交流電源。因此轉(zhuǎn)換器必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)而內(nèi)置濾波器，適用于如工業(yè)、IT、醫(yī)療以及測(cè)試設(shè)備等應(yīng)用。然而，通過PCB布線連接到交流電源的板載小功率AC/DC轉(zhuǎn)換器有也很大的市場(chǎng)。轉(zhuǎn)換器內(nèi)部通常也需要濾波器以符合最高的EMC輻射標(biāo)準(zhǔn)（Class B），例如RECOM RAC20-K系列。

　　有些產(chǎn)品符合較低的Class A標(biāo)準(zhǔn)。這樣可以節(jié)省成本而且可能已有足夠的濾波性能，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)換器是由AC供電，電流在系統(tǒng)的其他地方已經(jīng)經(jīng)過濾波。制造商會(huì)建議外加濾波器件，讓這些部件能夠滿足Class B的標(biāo)準(zhǔn)，通常是使用交流線上的‘X’電容以及交流線和地之間的‘Y’電容器。RECOM RAC03-GA系列就是一個(gè)典型的例子。為了使這些器件有效，它們應(yīng)該盡量靠近轉(zhuǎn)換器，并且跟地之間使用最低阻抗連接。請(qǐng)記住，允許的電容值是有限制的。例如，‘X’電容必須在斷開交流電源后一秒內(nèi)放電到安全電壓，并且可能需要一個(gè)恰當(dāng)?shù)牟⒙?lián)放電電阻。如前所述，如果系統(tǒng)接地?cái)嚅_，DC/DC轉(zhuǎn)換器的‘Y’電容器必須阻止危險(xiǎn)的漏電流流過。最敏感的醫(yī)療應(yīng)用允許的最大漏電流低至10μA，將電容值限制在100pF左右。其他應(yīng)用允許較高的漏電流，例如在IT領(lǐng)域?yàn)?.5mA，這樣就可以使用較高的‘Y’電容值。

　　系統(tǒng)的EMC性能無法以一個(gè)器件的性能來簡單地預(yù)測(cè)，例如一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的板載AC/DC轉(zhuǎn)換器無法保證整個(gè)系統(tǒng)也能通過標(biāo)準(zhǔn)。但是，RECOM［3］擁有豐富的非板載（離線式）和板載電源產(chǎn)品，同時(shí)可以使用自己EMC測(cè)試實(shí)驗(yàn)室來幫助客戶進(jìn)行設(shè)備的EMC測(cè)試。