电磁干扰(EMI)一直是开关电源的潜在问题,无论是AC-DC还是DC-DC转换器。现代设计可以在排放和抗扰方面表现良好,但外部连接仍然必须正确才能获得最佳性能。有时,为了满足特定的应用程序需求,需要进行额外的筛选。然而,不正确的滤波器设计会使EMI更糟。本文给出了一些指南,以实现最佳的传导EMI性能从AC-DC和DC-DC转换器,包括使用外部滤波器。
设备的电磁兼容性(EMC)是指设备的传导和辐射辐射、对传导电压扰动和辐射场的敏感性以及对静电放电(ESD)的抗扰性。还包括交直流变换器对交流线路电流的畸变。在欧洲,EMC指令2014/30/ EU要求终端设备满足协调标准。在本文中,我们将研究开关型AC-DC和DC-DC变换器的传导排放,以及滤波器组件如何影响性能。
高效率会导致高噪音
工程师们都熟悉开关式转换器的优点——效率高、体积小、重量轻,但许多人也会为它们产生的电气噪声而烦恼。然而,现代转换器设计已经改进了更好的组件和拓扑,具有固有的低噪声,如谐振类型。诸如“频率抖动”之类的技术也有助于在给定的测量带宽内降低发射能量。噪声的来源是半导体的快速切换,波形的上升和下降时间以纳秒为单位测量,这是高效率所必需的。然而,高dV/dt和di/dt水平不能完全包含在转换器内,并且可能出现沿输入或输出线传导的电压或电流噪声“尖峰”。从傅里叶分析,一般开关波形的发射包络如图1所示,表明随着上升/下降时间Tr, Tf减小,发射带宽增加,受波形占空比Ton/ Tp[1]的影响,整体振幅增大。
噪声组件
传导噪声有两种类型,差模(DM)和共模(CM),它们通常在某种程度上同时存在。DM噪声是测量电力线和它的回程之间的电压。CM噪声是在电力线和系统接地之间测量的,通常被记录为跨定义阻抗的电压。这是因为功率转换器倾向于作为高频CM噪声的电流源运行。图2以图表方式显示了这两种类型。
DM噪声很容易用示波器或分析仪测量,但CM需要使用标准的终端网络,即线路阻抗稳定网络(LISN)。这包括定义的终止阻抗和必要的滤波,以隔离来自上游电源的任何影响。LISN由CISPR标准定义,通常用于IT设备的CISPR 22,用于AC-DC变换器噪声测量,但通常也用于dc - dc。LISN输出DM和CM噪声的加权组合,因此即使没有CM噪声,也可以看到DM噪声振幅的一半。这意味着DM和CM噪声类型的衰减必须满足CISPR 22标准及其衍生品EN 55022的限制线。
Dc-dc变换器输入滤波器
DC-DC转换器的噪声排放没有通用标准,因为它们通常嵌入在总体上必须满足EMC法规的系统中。电路板安装DC-DC制造商在产品包装中至少包含一个并行输入电容,所产生的噪声水平通常是完全可以接受的。在应用程序中偶尔需要较低的电平,制造商通常会建议在外部添加L- c滤波器,以降低DM噪声、L和C1(如图3所示)。
添加大值组件可能很有诱惑力,认为这将提供最低的噪声,但这可能适得其反:大电感值可能具有高电阻,产生压降和功耗。高电感的磁饱和可能是一个问题,自谐振可能很低,导致在DC-DC输入端产生振铃和潜在过电压。这种影响甚至会使测量到的噪声谱变差。图4显示了一个没有滤波器的样本转换器的噪声,只拟合L和C1,然后加上C2,得到更高的频谱峰值。
另一个可能发生的问题是变换器控制回路的不稳定性。这发生在滤波器的输出阻抗,在其谐振频率,接近于DC-DC的输入阻抗(这是增量负-输入电流下降,输入电压上升)。Middlebrook[2]研究了这种影响,并得出结论,输入滤波器的输出阻抗必须远小于变换器的输入阻抗。这可以通过图3中额外的阻尼电路R和C5来实现。C5为>>5 × C2,可能在DC-DC内部,R =√rt (L/C2)。另外,有损耗的电解电容器也有类似的效果,但其电容和损耗电阻不能很好地控制。
CM噪声通常不是DC-DC转换器的问题,因为输入和输出都可能接地。如果输入是浮动的,可以添加电容C3和C4来降低CM噪声级。然而,如果转换器正在形成高压交流安全屏障的一部分,则可能存在允许的电容限制。C3和C4值将设置可以流动的最大交流泄漏电流,并且必须是“Y”安全类型,具有正确的瞬态额定电压。在极端情况下,两个电容器可能需要串联用于最敏感的应用,如患者连接医疗,以防一个电容器短路。
在某些应用中,可能需要在DC-DC变换器输入端进行电压暂态抑制。例如在汽车和铁路行业,已经建立了一些暂态电平标准,但在其他应用领域,暂态电平还没有很好地定义。最近的欧洲标准EN IEC 61204-3:2018“低压开关模式电源-第3部分:电磁兼容性”尚未被广泛接受,但确实为不同应用类别的DC-DC转换器定义了一些过电压。
交直流变换器输入滤波器
交直流变换器的情况比较简单。对于大功率产品,通常直接连接到交流电源。因此,转换器必须符合EMC指令,因此将在内部安装一个滤波器,适合于预期的应用;工业、IT、医疗、测试设备等。然而,通过内部轨道和布线连接到交流电源的板装AC- DC转换器有很大的市场。转换器通常具有最高EMC排放标准(B类)的内部滤波,如RECOM RAC20-K系列,但有时提供满足较低的A类限制线的产品。这是一个节省成本,可能是足够的,特别是如果转换器提供的交流已经在系统的其他地方过滤。制造商将建议外部滤波器组件,使这些部件能够满足B类限制,通常是一个“X”额定电容器横跨交流线路和“Y”电容器从交流线路到地面。此处以RECOM RAC03-GA系列为例。
为了使这些组件有效,它们应该放置在离转换器非常近的地方,并与地直接低阻抗连接。记住,允许的值是有限制的:例如,“X”电容器必须在交流电源断开连接后一秒钟内放电到安全电压,可能需要一个并联放电电阻,适当的额定。如前所述,对于DC-DC转换器,“Y”电容器必须不允许危险的泄漏电流流动,如果系统地断开连接。对于最敏感的医疗应用,允许的最大电流可低至10μA,将电容值限制在100pF左右。其他应用允许更高的泄漏电流,例如在IT领域为3.5mA,允许更高的“Y”电容值。
系统EMC性能不能轻易地从单个组件的性能来预测,因此,例如,兼容的板载AC-DC转换器不能保证系统“通过”。然而,RECOM[3]等制造商凭借其广泛的系统和板载电源产品提供其内部EMC测试设施的使用,以帮助其客户进行预合规设备测试。
参考文献
1.http://www.smps.us/Unitrode.html
2.Middlebrook, r.d.,在开关模式稳压器中防止输入滤波器振荡的设计技术,PowerCon 5,第五届全国固态电源转换会议,1978年5月4-6日,旧金山,加州
3.www.recom-power.com