EMC 焦点—电源
2019-3-20
电磁干扰 (EMI) 一直是开关电源（包括 AC-DC 和 DC-DC 转换器）的潜在问题。现代的设计在辐射和抗扰度方面表现很好，但外部连接必须是正确的才能发挥最佳性能。有时候还需要额外的滤波以满足不同应用的要求。然而，不正确的滤波器设计实际上会使 EMI 变得更糟。本文提供一些指南来帮助您的 AC-DC 和 DC-DC 转换器以及使用外部滤波器时达到最佳的传导 EMI 抗扰度。
设备的电磁兼容性 (EMC) 是一个专业术语，涵盖了传导和辐射发射、对传导电压干扰和辐射场的电磁耐受性，以及对静电放电 (ESD) 的抗扰度，也包含了 AC-DC 转换器造成的 AC 线电流的失真。在欧洲，EMC 指令 2014/30/EU 要求终端设备符合协调标准。在本文中，我们将研究开关 AC-DC 和 DC-DC 转换器的传导发射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转换器的优势，体积小、重量轻、效率高，但许多人也会为它们产生的电噪声而感到苦恼。现代的转换器设计已得到改善，有更好的组件和拓扑结构而且它们本身的噪声就较低，例如谐振类型。「频率抖动」等技术也有助于减少测量带宽的发射能量。噪声来自于半导体的快速开关，波形上升和下降的时间以纳秒为单位测量，为了高效这个速度是必要的。高 dV/dt 和 di/dt 水平不仅存在于转换器中，也会表现为沿输入或输出线路传导的电压或电流「噪声尖峰」。根据傅立叶分析，通用开关波形的发射包络如图 1 所示，随着上升时间 Tr 或下降时间 Tf 的减少，发射带宽增加，总体幅度受到波形Ton/Tp占空比的影响 [1]。
图 1：开关波形的发射包络
噪声组件
传导噪声有两种类型，分别是差模 (DM) 和共模 (CM)，它们通常在某种程度上同时存在。DM 噪声在电源线和返回线之间产生。CM 噪声是在电源线和系统接地层之间产生的，通常记录为定义阻抗两端的电压。这是因为功率转换器往往倾向于在高频下作为 CM 噪声的电流源。图 2 以图解方式说明这两种类型。
图 2：可能存在的噪声类型
DM 噪声很容易用示波器或分析仪测量，但 CM 需要用到标准终端网络，即线路阻抗稳定网络 (LISN)。这包括定义的端接阻抗和必要的滤波以隔离来自上游电源的任何影响。LISN 是由 CISPR 标准定义，通常是针对 IT 设备的 CISPR 22，原本是用来量测 AC-DC 转换器噪声但通常也会用在 DC-DC 转换器。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 噪声一半的振幅。这意味着需要衰减 DM 和 CM 噪声以满足 CISPR 22 标准及其衍生标准 EN 55022 的限制。
DC-DC转换器输入滤波器
DC-DC 转换器的噪声排放没有通用标准因为它们通常安装在系统之中而整体系统必须符合 EMC 法规。板载 DC-DC 制造商在转换器封装中至少包含一个并联输入电容器，因此噪声水平通常是可接受的。若应用要求更低的噪声时，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。
图 3：DC-DC 转换器周围的滤波器组件
我们可能会很想使用高电感组件因为觉得它们的噪声是最低的，但这可能适得其反：高电感值可能会有高电阻，导致压降和功耗。高电感的磁饱和也可能造成问题，并且自谐振可能很低，从而导致 DC-DC 输入端出现振铃效应和潜在的过压。该效应甚至会使测得的噪声频谱变得更糟。图 4 显示三个例子，未安装滤波器的转换器、安装 L 和 C1 滤波组件，然后再添加 C2，结果得出更高的峰值。
图 4：额外的滤波器组件实际上会使 EMI 变得更糟
另一个可能发生的问题是不稳定的转换器控制回路。当滤波器在谐振频率下的输出阻抗接近 DC-DC 的输入阻抗时就会发生负递增，也就是输入电流随着输入电压上升而下降。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。可以使用图 3 的阻尼电路 R 和 C5 来实现。C5 要远大于5倍的C2，C2可能在 DC-DC 内部，R = SQRT(L/C2)。电解电容的省耗因子也能达到类似的效果但是无法很好地控制电容和电阻损耗。
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。如果输入浮空可以添加电容器 C3 和 C4 以降低 CM 噪声水平。 但是如果转换器是高压 AC 安全屏障的一部分，那么电容可能需要有所限制。C3 和 C4 值会设定可通过最大 AC 漏电流，并且必须是具有可承受瞬态电压的安规类型的「Y电容」。在极端的情况下，最敏感的应用可能需要串联两个电容器以防其中一个发生短路，例如患者连接的医疗应用。
某些应用的 DC-DC 转换器输入端可能需要瞬态电压抑制。现在已有一些瞬态电压标准，例如汽车和铁路行业，但在其他应用领域并没有明确定义标准。最近出的欧洲标准EN IEC 61204-3:2018《低压开关电源- 第3部分：电磁兼容性（EMC）》尚未被广泛接受，但已为 DC-DC 转换器的不同应用类别定义了过电压。
AC-DC转换器输入滤波器
事实上 AC-DC 转换器的情况更简单。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，内部要有适合预期应用的滤波器，例如工业、IT、医疗、测试设备等领域。通过内部电源线缆和板载布线连接到交流电源的板载 AC-DC 转换器有很大的市场。转换器内部通常需要滤波器以符合最高 EMC 辐射标准（B 类），例如 RECOM RAC20-K 系列，但有产品符合较低的 A 类标准。这可以节约成本而且或许已有足够的滤波性能，尤其是当供给转换器的交流电源已在系统的其他地方经过滤波。制造商会建议外加滤波器件，让这些部件符合 B 类标准，通常是交流线上的「X 电容」以及跨接在两条交流线与地线之间的「Y 电容」，例如RECOM RAC03-GA 系列。
为了让这些组件更好地发挥作用，它们应该尽量靠近转换器并以低阻抗直接接地。请注意允许的值是有限制的，例如「X电容」通常必须在交流电源断开后的一秒钟内放电到安全电压，并且可能需要一个适当的并联放电电阻。如先前所述，如果系统接地断开DC-DC 转换器的「Y电容」会阻止危险的漏电流流过。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。其他应用允许较高的漏电流，例如在 IT 领域为 3.5mA，因此可以使用较高容值的「Y电容」。
系统 EMC 性能无法根据一个组件的性能简单预测，因此符合标准的板载 AC-DC 转换器无法保证系统也能通过标准认证。然而 RECOM [3] 提供丰富的系统和板载电源产品，并使用内部 EMC 测试实验室协助客户进行EMC预认证测试。
参考文献
[1] http://www.smps.us/Unitrode.html
[2] Middlebrook, R. D., Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators, Proceedings of PowerCon 5, the Fifth National Solid-State Power Conversion Conference, May 4-6, 1978, San Francisco, CA
[3] www.recom-power.com
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高效率会导致高噪音
工程师们都熟悉开关转换器的优势，体积小、重量轻、效率高，但许多人也会为它们产生的电噪声而感到苦恼。现代的转换器设计已得到改善，有更好的组件和拓扑结构而且它们本身的噪声就较低，例如谐振类型。「频率抖动」等技术也有助于减少测量带宽的发射能量。噪声来自于半导体的快速开关，波形上升和下降的时间以纳秒为单位测量，为了高效这个速度是必要的。高 dV/dt 和 di/dt 水平不仅存在于转换器中，也会表现为沿输入或输出线路传导的电压或电流「噪声尖峰」。根据傅立叶分析，通用开关波形的发射包络如图 1 所示，随着上升时间 Tr 或下降时间 Tf 的减少，发射带宽增加，总体幅度受到波形Ton/Tp占空比的影响 [1]。
图 1：开关波形的发射包络
噪声组件
传导噪声有两种类型，分别是差模 (DM) 和共模 (CM)，它们通常在某种程度上同时存在。DM 噪声在电源线和返回线之间产生。CM 噪声是在电源线和系统接地层之间产生的，通常记录为定义阻抗两端的电压。这是因为功率转换器往往倾向于在高频下作为 CM 噪声的电流源。图 2 以图解方式说明这两种类型。
图 2：可能存在的噪声类型
DM 噪声很容易用示波器或分析仪测量，但 CM 需要用到标准终端网络，即线路阻抗稳定网络 (LISN)。这包括定义的端接阻抗和必要的滤波以隔离来自上游电源的任何影响。LISN 是由 CISPR 标准定义，通常是针对 IT 设备的 CISPR 22，原本是用来量测 AC-DC 转换器噪声但通常也会用在 DC-DC 转换器。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 噪声一半的振幅。这意味着需要衰减 DM 和 CM 噪声以满足 CISPR 22 标准及其衍生标准 EN 55022 的限制。
DC-DC转换器输入滤波器
DC-DC 转换器的噪声排放没有通用标准因为它们通常安装在系统之中而整体系统必须符合 EMC 法规。板载 DC-DC 制造商在转换器封装中至少包含一个并联输入电容器，因此噪声水平通常是可接受的。若应用要求更低的噪声时，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。
图 3：DC-DC 转换器周围的滤波器组件
我们可能会很想使用高电感组件因为觉得它们的噪声是最低的，但这可能适得其反：高电感值可能会有高电阻，导致压降和功耗。高电感的磁饱和也可能造成问题，并且自谐振可能很低，从而导致 DC-DC 输入端出现振铃效应和潜在的过压。该效应甚至会使测得的噪声频谱变得更糟。图 4 显示三个例子，未安装滤波器的转换器、安装 L 和 C1 滤波组件，然后再添加 C2，结果得出更高的峰值。
图 4：额外的滤波器组件实际上会使 EMI 变得更糟
另一个可能发生的问题是不稳定的转换器控制回路。当滤波器在谐振频率下的输出阻抗接近 DC-DC 的输入阻抗时就会发生负递增，也就是输入电流随着输入电压上升而下降。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。可以使用图 3 的阻尼电路 R 和 C5 来实现。C5 要远大于5倍的C2，C2可能在 DC-DC 内部，R = SQRT(L/C2)。电解电容的省耗因子也能达到类似的效果但是无法很好地控制电容和电阻损耗。
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。如果输入浮空可以添加电容器 C3 和 C4 以降低 CM 噪声水平。 但是如果转换器是高压 AC 安全屏障的一部分，那么电容可能需要有所限制。C3 和 C4 值会设定可通过最大 AC 漏电流，并且必须是具有可承受瞬态电压的安规类型的「Y电容」。在极端的情况下，最敏感的应用可能需要串联两个电容器以防其中一个发生短路，例如患者连接的医疗应用。
某些应用的 DC-DC 转换器输入端可能需要瞬态电压抑制。现在已有一些瞬态电压标准，例如汽车和铁路行业，但在其他应用领域并没有明确定义标准。最近出的欧洲标准EN IEC 61204-3:2018《低压开关电源- 第3部分：电磁兼容性（EMC）》尚未被广泛接受，但已为 DC-DC 转换器的不同应用类别定义了过电压。
AC-DC转换器输入滤波器
事实上 AC-DC 转换器的情况更简单。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，内部要有适合预期应用的滤波器，例如工业、IT、医疗、测试设备等领域。通过内部电源线缆和板载布线连接到交流电源的板载 AC-DC 转换器有很大的市场。转换器内部通常需要滤波器以符合最高 EMC 辐射标准（B 类），例如 RECOM RAC20-K 系列，但有产品符合较低的 A 类标准。这可以节约成本而且或许已有足够的滤波性能，尤其是当供给转换器的交流电源已在系统的其他地方经过滤波。制造商会建议外加滤波器件，让这些部件符合 B 类标准，通常是交流线上的「X 电容」以及跨接在两条交流线与地线之间的「Y 电容」，例如RECOM RAC03-GA 系列。
为了让这些组件更好地发挥作用，它们应该尽量靠近转换器并以低阻抗直接接地。请注意允许的值是有限制的，例如「X电容」通常必须在交流电源断开后的一秒钟内放电到安全电压，并且可能需要一个适当的并联放电电阻。如先前所述，如果系统接地断开DC-DC 转换器的「Y电容」会阻止危险的漏电流流过。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。其他应用允许较高的漏电流，例如在 IT 领域为 3.5mA，因此可以使用较高容值的「Y电容」。
系统 EMC 性能无法根据一个组件的性能简单预测，因此符合标准的板载 AC-DC 转换器无法保证系统也能通过标准认证。然而 RECOM [3] 提供丰富的系统和板载电源产品，并使用内部 EMC 测试实验室协助客户进行EMC预认证测试。
参考文献
[1] http://www.smps.us/Unitrode.html
[2] Middlebrook, R. D., Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators, Proceedings of PowerCon 5, the Fifth National Solid-State Power Conversion Conference, May 4-6, 1978, San Francisco, CA
[3] www.recom-power.com
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