電源轉換器的電磁兼容性原理及設計

EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁兼容性）在過(guò)去十年間已經(jīng)成為一個(gè)家喻戶(hù)曉的名詞。在90年代中期，歐洲要求降低銷(xiāo)售至區內產(chǎn)品的輻射和傳導發(fā)射水準。此后，許多產(chǎn)品開(kāi)始在其設計階段導入EMC測試。而此一趨勢一直延續到現今的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

　　一個(gè)經(jīng)常被問(wèn)到的問(wèn)題是：什么是EMC？其實(shí)，EMC是一種元件、產(chǎn)品或系統在預定的電磁環(huán)境（存在于電磁干擾EMI）中正常工作的能力，同時(shí)自身不會(huì )出現退化及成為干擾源。要設計出這樣的功能，必須要遵循EMC標準，而這些標準是由IEC和CISPR等團體所制定的。本文將討論EMC有關(guān)輻射和傳導，包括共同（common）模式和差分（differential）模式發(fā)射的規定，以及探討如何設計電力線(xiàn)濾波器以降低輸入和輸出雜訊，最后再提供一些能夠降低雜訊的印刷電路板設計技巧。

　　1 EMC規定

　　為了獲得可靠的EMC設計，必須對EMC的要求有所了解。這些要求不只是針對模塊電源，同時(shí)也是針對歐洲和北美共有的系統級標準。

　　IEC（國際電工委員會(huì )）負責擬定歐洲規格，而CISPR（國際射頻干擾特別委員會(huì )）則負責采用CISPR 22進(jìn)行EMC試驗，CISPR 22定義了傳導發(fā)射的最嚴格限制。這些限制（傳導發(fā)射）現由產(chǎn)品標準EN55022(圖1)和EN55011(圖2)描述出來(lái)。圖1和圖2中的A類(lèi)和B類(lèi)要求分別指的是工業(yè)標準和國內標準（domestic standard）。根據測試雜訊所用天線(xiàn)的不同，歐洲標準設有兩種限制。較高限制是針對準峰值天線(xiàn)，較低限制則是針對一般天線(xiàn)，但兩種限制都必須達到，以便讓設備可以通過(guò)要求。北美使用的FCC標準規格與歐洲的EN要求相似，請參考圖2。在測試電源供應時(shí)使用了兩種歐洲標準：EN55011和EN55022。在北美，輻射EMI通常在30MHz至10GHz 頻率范圍內測量（根據FCC的規定），而傳導EMI一般在幾個(gè)至30MHz的頻率范圍內測量（根據FCC的規定）。

　　這里的目的是開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足上述與發(fā)射有關(guān)的全部或一部份要求的系統，可以是獨立的設備，也可以是整合在更大系統中的系統。

　　2共同模式和差分模式雜訊

　　共同模式和差分模式是兩種主要的雜訊源。共享模式雜訊來(lái)自于共享模式電流。共享模式能量共存于單相系統的兩條電源線(xiàn)上，并以相同的方向在所有導線(xiàn)和接地之間以及全部的電源線(xiàn)或導線(xiàn)上傳送。由于兩根導線(xiàn)同時(shí)具有相同的電平，導線(xiàn)之間的設備不會(huì )對此產(chǎn)生衰減。

　　來(lái)自共享模式電流的共享模式雜訊一直存在于進(jìn)入設備的纜線(xiàn)上。降低這個(gè)電流的方法之一，就是在原始模型上盡早測試纜線(xiàn)（使得設計者可在設計最后交付生產(chǎn)之前進(jìn)行一切所需的更改），并且是在進(jìn)行EMC符合性測試（compliance testing）之前。在許多情況下，如果設備不能通過(guò)共享模式電流測試，那么也不會(huì )通過(guò)輻射發(fā)射測試。共享模式電流可以簡(jiǎn)單地透過(guò)帶高頻箝制的電流探針和頻譜分析儀來(lái)測試。而響應范圍高達250MHz的電流探針就已經(jīng)足夠。

　　差分模式雜訊是共享模式雜訊的相反。差分模式雜訊是由電流流過(guò)帶電或中性導體后從另一個(gè)導體折射所產(chǎn)生的。這會(huì )在帶電和中性導體之間產(chǎn)生雜訊電壓。

　　3交流電力線(xiàn)主濾波器

　　是一個(gè)說(shuō)明單相交流電源濾波器的范例。這類(lèi)型的濾波器常用來(lái)降低輸入和輸出電源的差分模式和共享模式雜訊。

　　4.1 A部分

　　電感器L1/L2和電容器C1組成差分濾波器，以應付所有試圖進(jìn)入電源的雜訊。差分模式雜訊是由電流流過(guò)帶電或中性導體后從另一個(gè)導體折射所產(chǎn)生。L1和C1或L2和C1的組合構成了一個(gè)分壓器。根據雜訊的頻率，電容器C1對信號呈現出較小的阻抗（較大負載），因此降低了電源線(xiàn)上的雜訊。舉例來(lái)說(shuō)，在特定頻率下，L1的等效阻抗是10K，C1的等效阻抗為1K，則透過(guò)濾波器的雜訊是其原始強度的十分之一，或降低了20dB的雜訊。

　　4.2 B部分

　　電容器C2和C3構成具有接地參考的共享模式濾波器。在電流與帶電和中性導體中的電流同相并經(jīng)由安全的接地回來(lái)時(shí)，共同模式雜訊變得明顯。這會(huì )在帶電/中性導體和接地之間產(chǎn)生雜訊電壓。C2、C3、C4和C5全部相等，這些線(xiàn)路上的所有共享模式雜訊將被分流至接地。需注意的是，由于有漏電流，B部分不可用于醫療設備。

　　4.3 C部分

　　不帶參考的Zorro電感器（共享模式扼流圈）。選擇每個(gè)繞組的方向以產(chǎn)生相反的電流，能夠消除所有雜訊。由共享模式電流引起的磁通量會(huì )聚集，并產(chǎn)生阻抗，因此能減少電源線(xiàn)上的雜訊。由于差分模式的電流以不同方向流動(dòng)，差分模式電流產(chǎn)生的磁通量會(huì )相互抵消，所以不會(huì )產(chǎn)生阻抗，也不能降低差分模式雜訊。

　　電容器C1和C16是X類(lèi)電容器，用以降低差分雜訊，需要能承受電源電壓。X類(lèi)電容器通常在0.01uF至2uF的范圍。電容器C2至C5是針對共享模式雜訊的Y類(lèi)電容器，需要能夠保證不會(huì )在短路時(shí)失效（比X類(lèi)電容昂貴）。Y類(lèi)電容器容量值較小，通常在0.002uF至0.1uF之間。

　　5降低電源轉換器內部和外部雜訊的設計指南

　　AC至DC電源供應器有三個(gè)產(chǎn)生雜訊的領(lǐng)域：

　　(1)已經(jīng)存在于A(yíng)C電源的雜訊進(jìn)入電源裝置（共同模式/差分模式）；

　　(2)電源供應的開(kāi)關(guān)頻率引起的（共同模式）；

　　(3)當MOSFET關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的快速切換邊緣和由此引起的振鈴ringing（共同模式）。

　　5.1 AC電源

　　若有雜訊電力主線(xiàn)，則可使用交流（AC）電力線(xiàn)濾波器。在使用交流（AC）電力線(xiàn)濾波器時(shí)，應確保將其安裝在盡量接近AC電力線(xiàn)進(jìn)入電路板（PCB）的位置，。濾波器的接地連接也應盡可能的短，以便與電源初級的接地板連接。

　　為了降低來(lái)自進(jìn)入和離開(kāi)設備的共享模式和差分模式雜訊，應使用交流 （AC） 電力線(xiàn)濾波器。見(jiàn)交流 （AC） 電力線(xiàn)主濾波器部分。