電源轉換器的電磁兼容性

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。

5.2電源的開(kāi)關(guān)頻率

與使用系統時(shí)鐘的系統一樣，許多電源都采用脈寬調變（PWM）組件，在一定頻率下工作，用來(lái)控制輸出電壓。因此，系統時(shí)鐘需要在電路板上小心布局，PWM控制器亦然。

對于使用返馳式、正向或其它拓樸的變壓器設計，在初級繞組和開(kāi)關(guān)MOSFET的漏極之間的設計，讓引線(xiàn)盡可能寬和盡可能短是非常重要的，。這可縮短電感通路并保持振鈴降至最低水準。最好同時(shí)將MOSFET和PWM控制器連至接地板，使接地板上的孔量減至最少（而不要看起來(lái)像瑞士乳酪）。電流返回的引線(xiàn)旁邊應有與其平行布設的接地線(xiàn)（如果沒(méi)有雜散電容問(wèn)題），如果雜訊問(wèn)題依然存在，便除去引線(xiàn)下的接地板，將漏極引線(xiàn)至變壓器的電容減至最小。MOSFET開(kāi)關(guān)結構已有寄生電容，會(huì )在組件和接地之間灌注電流。如果“綠色線(xiàn)條部分”跡線(xiàn)下的接地板沒(méi)有去掉，額外的電流便會(huì )進(jìn)入接地板，引起更大的共享模式傳導雜訊。

開(kāi)關(guān)MOSFET的源極必須與電源初級的接地板可靠地連接。因此，要為接地端子制作大焊盤(pán)，以便使用適當數量的跨接（取決于吸收電流）與接地板可靠地連接。

5.3 PWM切換邊緣和并發(fā)振鈴

為電阻電容二極管（RCD）電路（R1、C1和D1），具有兩個(gè)作用，首先，C1能減慢Q1在關(guān)斷時(shí)集電極電壓的上升時(shí)間（平滑、減小輻射EMI）；其次，它將輸入電壓維持在2VCC，即不超過(guò)開(kāi)關(guān)MOSFET的擊穿電壓。在C1夠大的情況下，上升的集電極電壓和下降的集電極電流相交于很低的位置，因此能大幅降低晶體管的功耗。

C2和R2的振鈴電路（ringing circuitry）也很重要，用于減小變壓器初級的振鈴，該振鈴是在MOSFET釋放輸入電壓的電源時(shí)所引起。

作為第一個(gè)試點(diǎn)，以下是確定C2和R2值的一個(gè)方法：

(1)確定振鈴波形的頻率并計算周期；

(2)將第一步確定的周期乘以5；

(3)設定電阻的數值（通常小于100R）；

(4)使用第二步獲得的數值除以第三步確定的電阻

使用電阻R2和電容C2網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)是降低振鈴，但缺點(diǎn)是透過(guò)電容器C2的高頻紋波會(huì )以熱方式耗散在電阻R2上。如果降低噪音比效率來(lái)得重要，則可采用，否則會(huì )降低效率。

6印刷電路板設計指南

(1)要適當地放置和確定組件的方向；

(2)如果使用散熱器，務(wù)必將其接地；

(3)可能需要使用組件屏蔽；

(4)共享模式電容器的ESR值要小，并縮短接地的引線(xiàn)長(cháng)度；

(5)如果在變壓器上跨接緩沖器電路來(lái)減慢MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷的上升時(shí)間，請記得要縮短漏極和兩個(gè)源級變壓器引線(xiàn)端的跡線(xiàn)長(cháng)度?？赡艿脑?huà)，將緩沖器電路設在兩個(gè)初級引線(xiàn)端之間；

(6)避免在接地板和電源板（如果使用）中使用插槽；

(7)在50MHz以下（要考慮PWM控制器的諧波）傳統的去耦方法是有效的?？稍诳拷麵C電源和接地引線(xiàn)端附近使用一或兩個(gè)去耦電容器（一般為0.1或0.01uF）?？紤]在IC和去耦電容之間形成的環(huán)路區域，并放置電容器將環(huán)狀區域縮至最??；

(8)使接地線(xiàn)盡可能的短及厚；

(9)避免跡線(xiàn)上出現尖角；

(10)在需要屏蔽的情況下，盡可能地將所有雜訊組件集中于同一區域；

(11)如果可以的話(huà)，使用多層印刷電路板。

7醫療設備的安全性

對于應用敏感的設備如醫療領(lǐng)域等，共享模式雜訊確實(shí)是個(gè)問(wèn)題。假如設備與病人接觸，系統總體漏電流會(huì )被限定為100uA以下，這意味著(zhù)大多數電源設計人員需要將漏電流限制在20至40uA。為了滿(mǎn)足這項嚴格要求，醫療設備不會(huì )使用具電容器接地的共享模式濾波器。利用共享模式扼流圈，透過(guò)電容器（高頻雜訊被分流到底板地chassis ground而不是信號地）饋送到接地，并增加變壓器或在電源中隔離電源線(xiàn)，可以降低這些共享模式傳導的發(fā)射脈沖。醫療設備會(huì )使用IEC950/UL1950 II類(lèi)的安全標準。

8結論

EMC是當今系統設計中一個(gè)重要的考慮因素，其規則會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而變得更加嚴格。記得在發(fā)生切換時(shí)，雜訊也會(huì )出現，無(wú)論是傳導雜訊還是輻射雜訊。本文介紹了能降低雜訊的電路板級技術(shù)。如果需要進(jìn)一步降低雜訊，尤其是在輻射方面，使用導電外殼是不錯的選擇。當然，這些方法會(huì )增加額外成本。設計工程師必需評估標準符合性、安全符合性及最終產(chǎn)品的成本。