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    1. 蘇州萊瑞測信息科技有限公司

      電源和DC/DC轉換器中的電磁兼容性(EMC)問題

      ?? 2024-01-05 安規與電磁兼容網RECOM1870
      本文導讀:電源和DC/DC轉換器是現代電子設備中必不可少的重要組成部分,它們不僅為電路提供穩定的直流電源,而且還需要考慮電磁兼容性(EMC)問題。因為如果不考慮EMC問題,它們可能會對其他電子設備造成干擾或受到干擾。本文

      電源和DC/DC轉換器是現代電子設備中必不可少的重要組成部分,它們不僅為電路提供穩定的直流電源,而且還需要考慮電磁兼容性(EMC)問題。因為如果不考慮EMC問題,它們可能會對其他電子設備造成干擾或受到干擾。本文將詳細介紹電源和DC/DC轉換器中的EMC考慮因素。

      無論問題是由輻射還是傳導發射引起的,充電器都必須符合已發布的強制性電磁兼容性(EMC) 標準。這些標準還包括對主電源諧波發射和“閃爍”的限制,以及對規定水平的磁場、電場和電磁場的抗擾性;線路浪涌和瞬態;以及靜電放電。全球使用的國際標準為 IEC 61000 系列。

      您應該期望看到的濾波

      充電器的設計者還有什么可以做得更好?首先看傳導發射,該產品作為開關模式電源,可以產生線對線差模 (DM) 和線對地共模 (CM) 噪聲(圖 1)。DM 輸入噪聲通過線對線“X”電容器和串聯電感器衰減,因此,在尺寸和成本限制范圍內,可以輕松將足夠高的元器件值降至較低水平。設計者通常試圖將電容值保持在 100 nF 以下;然而,如上所述,元器件必須在規定的時間內放電到安全電壓,從而強制增加并聯電阻。此外,如果永久留在電路中,電阻器的恒定泄漏電流可能會使符合待機和空載損耗標準成為問題。盡管電感器的值可以很高,但它們通過最大交流運行電流;因此,為了避免飽和,這些值有時必須實際上很高。在這方面,鐵粉或氣隙鐵氧體類型就是典型的例子。


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      圖 1:AC/DC 轉換器輸入端的差模和共模噪聲


      雖然對 DM 噪聲沒有直接的法定限制,但對 CM 噪聲有限制,并且 CM 的典型測試方法使用線路阻抗穩定網絡 (LISN),符合多媒體設備的 CISPR 32 等所要求的標準。然而,LISN 也記錄了一半的 DM 噪聲,因此有充分的理由對其進行衰減。來自線路和中性點接地的 CM 噪聲往往以電流源的形式進入 LISN 的低 50 ohm 阻抗,而來自線路或中性點接地的“Y”型電容器提供了一個局部回流路徑,因此噪聲不會在外部循環,從而記錄在 LISN 中。然后,每條電源線上有一個耦合繞組的 CM 扼流圈,作為轉換器和電源之間的屏障。它可以使用高磁導率無氣隙鐵氧體,因為繞組與相位相關,所以運行電流會磁性抵消,為 CM 噪聲元件留下高阻抗。CM 扼流圈可以通過控制繞組之間的泄漏電感進行纏繞,從而產生 DM 和 CM 衰減的組合。

      瞬態濾波水平取決于安裝過電壓類別

      除了衰減發射,AC/DC 輸入濾波器還提供了對輸入過電壓的抗擾性,這些過電壓可以是高電壓、低能瞬變和突發,也可以是低電壓的浪涌。觀察到的水平取決于 I 至 IV 級(嚴重程度不斷增加)的安裝過電壓類別 (OVC)(表 1)。


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      表 1:過電壓類別的定義


      充電器應至少符合 OVC II 標準,這通常需要添加輸入瞬態抑制器元器件,如壓敏電阻 (VDR)。相反,如果是 OVC IV,您會看到高能額定 VDR,可能還有多個氣體放電管。

      此外,如果對充電器進行了是否符合歐盟 EMC 指令的評估(如其 CE 標志所示),則充電器還必須不受特定水平的外加電場、磁場和 RF 場以及靜電放電 (ESD) 的影響。此處輸入濾波不是解決方案,但良好的內部布局和設計實踐通常也有助于滿足發射限制。

      設計從“集總”元器件開始

      任何開關模式轉換器設計都可以從所選拓撲中的集總元器件開始,并計算一階性能。但是,如果考慮到 EMC 因素,則必須使用“真實”而非“理想”元器件(圖 2)。元器件的高階或“寄生”特性通常會導致EMC 問題。例如,這些可能是對地雜散電容導致 CM 噪聲電流,或者是連接的串聯電感導致輻射。甚至圖 2 中描述的真實元器件也很簡單。通常,寄生值是非線性的,例如電容器 ESR 隨頻率劇烈變化。此外,一些寄生現象的特征存在不連續性。例如,MOSFET 總輸入電容根據開關狀態在有效值之間交替變化。


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      圖 2:一階的“理想”元器件及其“真實”等同物


      除了直流電阻(僅隨溫度變化)之外,即使是電線和軌道連接也具有隨頻率和材料變化的交流電阻。這是由于固有電感和導體中心渦流抵消引起的“趨膚效應”。根據經驗,頻率為 f 的電流在銅導體中傳播的深度為 δ = 66/√f(圖 3)。例如,在 100 kHz 下直徑為 0.4 mm 的電線應不會出現趨膚效應。在大多數情況下,這是一個極其近似的值,但 δ 實際上是電流下降到 1/e 或總電流的 37%(非零)的深度,嚴格適用于正弦波(而不是轉換器設計中經常觀察到的復雜交流波形)。


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      圖 3:由于“趨膚效應", 交流電流集中在導體外表薄層, 這取決于材料和頻率。


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