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    2. 技術文章

      ACDC和DCDC電源*佳EMI性能的實現



      ACDC和DCDC電源*佳EMI性能的實現



      電磁干擾(EMI)始終是開關電源(AC-DC和DC-DC轉換器)的潛在問題。如今的電源有很好的電磁發射和抗干擾的能力。但為了滿足特定的應用要求,仍要有正確的濾波電路以確保滿足標準的要求。

      本文提供了實現AC-DC和DC-DC電源的*佳EMI性能以及如何選擇外部濾波器件的指南。

       

       

      設備的電磁兼容性(EMC)涵蓋了傳導、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要求終端設備符合統一標準。在本文中,我們將介紹AC-DC和DC-DC開關電源的傳導和輻射原理,并實例剖析濾波器件的選擇對EMI性能的影響。

       

       

      高效率可能導致高噪音

      工程師非常熟悉開關電源的高效率會帶來小體積和重量輕的優點,但許多人也深受電噪聲的困擾。然而,先進的設計會選擇使用低噪聲的器件和拓撲來改進噪聲,例如諧振拓撲?!邦l率抖動”之類的技術也有助于降低測量帶寬中的電磁輻射。開關電源中的噪聲于半導體的快速切換,通常想獲得高效率,開關波形上升和下降的時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電源所抑制,就有可能在輸入或輸出線上呈現出傳導的電壓或電流尖峰噪聲。根據傅里葉分析,一般開關波形的電磁輻射分析如圖1所示,隨著上升/下降時間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:開關波形的電磁輻射

       

      噪音類型

      傳導噪聲有差分模式(DM)和共模(CM)兩種類型,它們通常在某種程度上同時存在。DM噪聲為電力線回路之間測得的電壓。CM噪聲為電源線和系統接地之間測得,通常為定義阻抗的電壓。這是因為功率轉換器通常是高頻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量DM噪聲,但CM噪聲需要使用標準終端網絡,如線路阻抗穩定網絡(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標準定義,IT設備通常由CISPR 22規范,專門測量AC-DC轉換器噪聲但也用于DC-DC轉換器。LISN輸出是DM和CM噪聲的加權組合,因此即使沒有CM噪聲也可以檢測到一半幅度的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標準。

      DC-DC轉換器輸入濾波器

      DC-DC轉換器的系統一定會有噪聲,雖然沒有一個專門的標準限制,但是整體上必須符合EMC的規定。板載DC-DC制造商在產品中至少包含一個并聯輸入電容,因此噪聲通常都在可以接受的范圍之內。在應用中如果需要更低標準的干擾電平,制造商通常會建議在外部添加一個L-C濾波器以降低DM噪聲,如圖3所示的L和C1。

       

       

      3:DC-DC轉換器之濾波組件

      有人可能會想干脆使用較大的L和C值,認為這樣可以將噪聲降到*低,但這可能適得其反,因為大的電感量可能帶來比較大的直流電阻,造成較大的壓降和銅損,且大電感的磁飽和也是一個比較突出的問題。較大的L和C值自諧振的頻率點較低,進而導致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。

      ACDC和DCDC電源*佳EMI性能的實現

      圖4:額外增加濾波電容后反而使EMI惡化

      另一個可能發生的問題是不穩定的轉換器控制回路。當濾波器在諧振點的輸出阻抗接近DC-DC轉換器的輸入阻抗時就會發生負遞增現象,即,當輸入電壓上升時輸入電流會下降。Middlebrook[2] 研究了這種效應并得出結論,輸入濾波器的輸出阻抗必須遠小于轉換器的輸入阻抗。這可以通過圖3中R和C5阻尼電路來實現。C5的容值要遠大于5倍的C2,而R是=SQRT(L/C2)。電解電容的省耗因子也能達到類似的效果,但是電容和電阻損耗一樣不能很好地控制。

      DC-DC轉換器通常不會有CM噪聲的問題,因為輸入和輸出都可以做接地處理。如果輸入是浮地設計,可以加裝電容器C3和C4以降低CM噪聲。然而,如果轉換器需要符合高壓AC輸入的安規要求,可允許的電容值會有所限制。C3和C4值決定可流動的*大交流漏電流,并且必須符合瞬態電壓和額定值的‘Y’安規電容。在極端的情況下或極為敏感的應用中可能需要使用兩個電容串聯,例如:在與患者直接接觸的醫療設備中使用兩個電容串聯以防止其中一個電容短路的特殊情況。

      在一些應用中,DC-DC轉換器輸入可能需要電壓瞬態抑制電路。例如,汽車和鐵路行業建立了一個瞬態抑制電壓的標準,但在其他應用領域中并沒有明確定義。*近的歐標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,但該標準有定義不同應用類別的DC-DC轉換器的過電壓。

      AC-DC轉換器的輸入濾波器

      實際上,AC-DC轉換器的情況比較單純。大功率的產品通常直接連接到交流電源。因此轉換器必須符合EMC標準而內置濾波器,適用于如工業、IT、醫療以及測試設備等應用。然而,通過PCB布線連接到交流電源的板載小功率AC-DC轉換器有也很大的市場。轉換器內部通常也需要濾波器以符合*高的EMC輻射標準(Class B),例如RECOM RAC20-K系列。

      有些產品符合較低的Class A標準。這樣可以節省成本而且可能已有足夠的濾波性能,尤其當轉換器是由AC供電,電流在系統的其他地方已經經過濾波。制造商會建議外加濾波器件,讓這些部件能夠滿足Class B的標準,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系列就是一個典型的例子。為了使這些器件有效,它們應該盡量靠近轉換器,并且跟地之間使用*低阻抗連接。請記住,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放電到安全電壓,并且可能需要一個恰當的并聯放電電阻。如前所述,如果系統接地斷開,DC-DC轉換器的‘Y’電容器必須阻止危險的漏電流流過。*敏感的醫療應用允許的*大漏電流低至10μA,將電容值限制在100pF左右。其他應用允許較高的漏電流,例如在IT領域為3.5mA,這樣就可以使用較高的‘Y’電容值。

      系統的EMC性能無法以一個器件的性能來簡單地預測,例如一個符合標準的板載AC-DC轉換器無法保證整個系統也能通過標準。但是,RECOM [3]擁有豐富的非板載(離線式)和板載電源產品,同時可以使用自己EMC測試實驗室來幫助客戶進行設備的EMC測試。


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