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基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

2019年12月02日 09:30 次阅读

电磁干扰(EMI)始终是开关电源AC/DCDC/DC转换器)的潜在问题。如今的电源有很好的电磁发射和抗干扰的能力。但为了满足特定的应用要求,仍要有正确的滤波电路以确保满足标准的要求。

基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

  本文提供了实现AC/DC和DC/DC电源的最佳EMI性能以及如何选择外部滤波器件的指南。

  设备的电磁兼容性(EMC)涵盖了传导、辐射、静电放电(ESD)、以及AC/DC电源的输入线电流失真。在欧洲,EMC指令2014/30/EU要求终端设备符合统一标准。在本文中,我们将介绍AC/DC和DC/DC开关电源的传导和辐射原理,并实例剖析滤波器件的选择对EMI性能的影响。

  高效率可能导致高噪音

  工程师非常熟悉开关电源的高效率会带来小体积和重量轻的优点,但许多人也深受电噪声的困扰。然而,先进的设计会选择使用低噪声的器件和拓扑来改进噪声,例如谐振拓扑。“频率抖动”之类的技术也有助于降低测量带宽中的电磁辐射。开关电源中的噪声来源于半导体的快速切换,通常想获得高效率,开关波形上升和下降的时间是以纳秒为单位的,高的dV/dt和di/dt电平不能完全被开关电源所抑制,就有可能在输入或输出线上呈现出传导的电压或电流尖峰噪声。根据傅里叶分析,一般开关波形的电磁辐射分析如图1所示,随着上升/下降时间Tr, Tf减小,辐射带宽也随之增加,而增加的幅度则受到Ton/Tp [1]波形占空的影响。

基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

图1:开关波形的电磁辐射

噪音类型

       传导噪声有差分模式(DM)和共模(CM)两种类型,它们通常在某种程度上同时存在。DM噪声为电力线回路之间测得的电压。CM噪声为电源线和系统接地之间测得,通常为定义阻抗的电压。这是因为功率转换器通常是高频CM噪声的电流源。这两种类型的噪声如图2所示。

基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

  图2:可能存在的噪音类型

  示波器或分析仪可以轻松测量DM噪声,但CM噪声需要使用标准终端网络,如线路阻抗稳定网络(LISN)。这包括所需的定义终端阻抗和滤波以隔离来自上游电源的任何影响。LISN由CISPR标准定义,IT设备通常由CISPR 22规范,专门测量AC/DC转换器噪声但也用于DC/DC转换器。LISN输出是DM和CM噪声的加权组合,因此即使没有CM噪声也可以检测到一半幅度的DM噪声。这意味着必须衰减DM和CM噪声才能满足CISPR 22及EN 55022标准。

  DC/DC转换器输入滤波器

  DC/DC转换器的系统一定会有噪声,虽然没有一个专门的标准限制,但是整体上必须符合EMC的规定。板载DC/DC制造商在产品中至少包含一个并联输入电容,因此噪声通常都在可以接受的范围之内。在应用中如果需要更低标准的干扰电平,制造商通常会建议在外部添加一个L-C滤波器以降低DM噪声,如图3所示的L和C1。

基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

图3:DC/DC转换器之滤波组件

有人可能会想干脆使用较大的L和C值,认为这样可以将噪声降到最低,但这可能适得其反,因为大的电感量可能带来比较大的直流电阻,造成较大的压降和铜损,且大电感的磁饱和也是一个比较突出的问题。较大的L和C值自谐振的频率点较低,进而导致DC/DC输入有振铃和过电压的可能性,甚至有可能让噪声频谱更差。图4显示了没有滤波器的转换器噪声的例子,以及只安装了L和C1,然后再添加C2的例子,反而得出更高的峰值。

基于AC/DC和DC/DC电源模块的最佳EMI性能设计方案

图4:额外增加滤波电容后反而使EMI恶化

  另一个可能发生的问题是不稳定的转换器控制回路。当滤波器在谐振点的输出阻抗接近DC/DC转换器的输入阻抗时就会发生负递增现象,即,当输入电压上升时输入电流会下降。Middlebrook[2]研究了这种效应并得出结论,输入滤波器的输出阻抗必须远小于转换器的输入阻抗。这可以通过图3中R和C5阻尼电路来实现。C5的容值要远大于5倍的C2,而R是=SQRT(L/C2)。电解电容的省耗因子也能达到类似的效果,但是电容和电阻损耗一样不能很好地控制。

  DC/DC转换器通常不会有CM噪声的问题,因为输入和输出都可以做接地处理。如果输入是浮地设计,可以加装电容器C3和C4以降低CM噪声。然而,如果转换器需要符合高压AC输入的安规要求,可允许的电容值会有所限制。C3和C4值决定可流动的最大交流漏电流,并且必须符合瞬态电压和额定值的‘Y’安规电容。在极端的情况下或极为敏感的应用中可能需要使用两个电容串联,例如:在与患者直接接触的医疗设备中使用两个电容串联以防止其中一个电容短路的特殊情况。

  在一些应用中,DC/DC转换器输入可能需要电压瞬态抑制电路。例如,汽车和铁路行业建立了一个瞬态抑制电压的标准,但在其他应用领域中并没有明确定义。最近的欧标EN IEC 61204-3:2018直流输出低压供电装置第3部分: 电磁兼容,尚未被广泛接受,但该标准有定义不同应用类别的DC/DC转换器的过电压。

  AC/DC转换器的输入滤波器

  实际上,AC/DC转换器的情况比较单纯。大功率的产品通常直接连接到交流电源。因此转换器必须符合EMC标准而内置滤波器,适用于如工业、IT、医疗以及测试设备等应用。然而,通过PCB布线连接到交流电源的板载小功率AC/DC转换器有也很大的市场。转换器内部通常也需要滤波器以符合最高的EMC辐射标准(Class B),例如RECOM RAC20-K系列。

  有些产品符合较低的Class A标准。这样可以节省成本而且可能已有足够的滤波性能,尤其当转换器是由AC供电,电流在系统的其他地方已经经过滤波。制造商会建议外加滤波器件,让这些部件能够满足Class B的标准,通常是使用交流线上的‘X’电容以及交流线和地之间的‘Y’电容器。RECOM RAC03-GA系列就是一个典型的例子。为了使这些器件有效,它们应该尽量靠近转换器,并且跟地之间使用最低阻抗连接。请记住,允许的电容值是有限制的。例如,‘X’电容必须在断开交流电源后一秒内放电到安全电压,并且可能需要一个恰当的并联放电电阻。如前所述,如果系统接地断开,DC/DC转换器的‘Y’电容器必须阻止危险的漏电流流过。最敏感的医疗应用允许的最大漏电流低至10μA,将电容值限制在100pF左右。其他应用允许较高的漏电流,例如在IT领域为3.5mA,这样就可以使用较高的‘Y’电容值。

  系统的EMC性能无法以一个器件的性能来简单地预测,例如一个符合标准的板载AC/DC转换器无法保证整个系统也能通过标准。但是,RECOM[3]拥有丰富的非板载(离线式)和板载电源产品,同时可以使用自己EMC测试实验室来帮助客户进行设备的EMC测试。

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