如何設計電源轉換器以降低輸入和輸出雜訊
發布時間:2013-01-04 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】一個經常被問到的問題是:什麼是EMC?其實,EMC是一種元件、產品或係統在預定的電磁環境(存在於電磁幹擾EMI)中正常工作的能力,同時自身不會出現退化及成為幹擾源。
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等團體所製定的。本文將討論EMC有關輻射和傳導,包括共同(common)模式和差分(differential)模式發射的規定,以及探討如何設計電力線濾波器以降低輸入和輸出雜訊,最後再提供一些能夠降低雜訊的印刷電路板設計技巧。
EMC規定
為了獲得可靠的EMC設計,必須對EMC的要求有所了解。這些要求不隻是針對模塊電源,同時也是針對歐洲和北美共有的係統級標準。
IEC(國際電工委員會)負責擬定歐洲規格,而CISPR(國際射頻幹擾特別委員會)則負責采用CISPR 22進行EMC試驗,CISPR 22定義了傳導發射的最嚴格限製。這些限製(傳導發射)現由產品標準EN55022(圖1)和EN55011(圖2)描述出來。圖1和圖2中的A類和B類要求分別指的是工業標準和國內標準(domestic standard)。根gen據ju測ce試shi雜za訊xun所suo用yong天tian線xian的de不bu同tong,歐ou洲zhou標biao準zhun設she有you兩liang種zhong限xian製zhi。較jiao高gao限xian製zhi是shi針zhen對dui準zhun峰feng值zhi天tian線xian,較jiao低di限xian製zhi則ze是shi針zhen對dui一yi般ban天tian線xian,但dan兩liang種zhong限xian製zhi都dou必bi須xu達da到dao,以yi便bian讓rang設she備bei可ke以yi通tong過guo要yao求qiu。北bei美mei使shi用yong的deFCC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 頻率範圍內測量(根據FCC的規定),而傳導EMI一般在幾個至30MHz的頻率範圍內測量(根據FCC的規定)。
這裏的目的是開發能夠滿足上述與發射有關的全部或一部份要求的係統,可以是獨立的設備,也可以是整合在更大係統中的係統。
共同模式和差分模式雜訊
共(gong)同(tong)模(mo)式(shi)和(he)差(cha)分(fen)模(mo)式(shi)是(shi)兩(liang)種(zhong)主(zhu)要(yao)的(de)雜(za)訊(xun)源(yuan)。共(gong)享(xiang)模(mo)式(shi)雜(za)訊(xun)來(lai)自(zi)於(yu)共(gong)享(xiang)模(mo)式(shi)電(dian)流(liu)。共(gong)享(xiang)模(mo)式(shi)能(neng)量(liang)共(gong)存(cun)於(yu)單(dan)相(xiang)係(xi)統(tong)的(de)兩(liang)條(tiao)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang),並(bing)以(yi)相(xiang)同(tong)的(de)方(fang)向(xiang)在(zai)所(suo)有(you)導(dao)線(xian)和(he)接(jie)地(di)之(zhi)間(jian)以(yi)及(ji)全(quan)部(bu)的(de)電(dian)源(yuan)線(xian)或(huo)導(dao)線(xian)上(shang)傳(chuan)送(song)。由(you)於(yu)兩(liang)根(gen)導(dao)線(xian)同(tong)時(shi)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)平(ping),導(dao)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)設(she)備(bei)不(bu)會(hui)對(dui)此(ci)產(chan)生(sheng)衰(shuai)減(jian)。
來自共享模式電流的共享模式雜訊一直存在於進入設備的纜線上。降低這個電流的方法之一,就是在原始模型上盡早測試纜線(使得設計者可在設計最後交付生產之前進行一切所需的更改),並且是在進行EMC符合性測試(compliance testing)之zhi前qian。在zai許xu多duo情qing況kuang下xia,如ru果guo設she備bei不bu能neng通tong過guo共gong享xiang模mo式shi電dian流liu測ce試shi,那na麼me也ye不bu會hui通tong過guo輻fu射she發fa射she測ce試shi。共gong享xiang模mo式shi電dian流liu可ke以yi簡jian單dan地di透tou過guo帶dai高gao頻pin箝qian製zhi的de電dian流liu探tan針zhen和he頻pin譜pu分fen析xi儀yi來lai測ce試shi。而er響xiang應ying範fan圍wei高gao達da250MHz的電流探針就已經足夠。
差cha分fen模mo式shi雜za訊xun是shi共gong享xiang模mo式shi雜za訊xun的de相xiang反fan。差cha分fen模mo式shi雜za訊xun是shi由you電dian流liu流liu過guo帶dai電dian或huo中zhong性xing導dao體ti後hou從cong另ling一yi個ge導dao體ti折zhe射she所suo產chan生sheng的de。這zhe會hui在zai帶dai電dian和he中zhong性xing導dao體ti之zhi間jian產chan生sheng雜za訊xun電dian壓ya。
交流電力線主濾波器
是一個說明單相交流電源濾波器的範例。這類型的濾波器常用來降低輸入和輸出電源的差分模式和共享模式雜訊。
A部分
電感器L1/L2和電容器C1組成差分濾波器,以應付所有試圖進入電源的雜訊。差分模式雜訊是由電流流過帶電或中性導體後從另一個導體折射所產生。L1和C1或L2和C1的組合構成了一個分壓器。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),因此降低了電源線上的雜訊。舉例來說,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。
B部分
電容器C2和C3構gou成cheng具ju有you接jie地di參can考kao的de共gong享xiang模mo式shi濾lv波bo器qi。在zai電dian流liu與yu帶dai電dian和he中zhong性xing導dao體ti中zhong的de電dian流liu同tong相xiang並bing經jing由you安an全quan的de接jie地di回hui來lai時shi,共gong同tong模mo式shi雜za訊xun變bian得de明ming顯xian。這zhe會hui在zai帶dai電dian/中性導體和接地之間產生雜訊電壓。C2、C3、C4和C5全部相等,這些線路上的所有共享模式雜訊將被分流至接地。需注意的是,由於有漏電流,B部分不可用於醫療設備。
C部分
不帶參考的Zorro電感器(共享模式扼流圈)。xuanzemeigeraozudefangxiangyichanshengxiangfandedianliu,nenggouxiaochusuoyouzaxun。yougongxiangmoshidianliuyinqidecitonglianghuijuji,bingchanshengzukang,yincinengjianshaodianyuanxianshangdezaxun。youyuchafenmoshidedianliuyibutongfangxiangliudong,chafenmoshidianliuchanshengdecitonglianghuixianghudixiao,suoyibuhuichanshengzukang,yebunengjiangdichafenmoshizaxun。
電容器C1和C16是X類電容器,用以降低差分雜訊,需要能承受電源電壓。X類電容器通常在0.01uF至2uF的範圍。電容器C2至C5是針對共享模式雜訊的Y類電容器,需要能夠保證不會在短路時失效(比X類電容昂貴)。Y類電容器容量值較小,通常在0.002uF至0.1uF之間。
降低電源轉換器內部和外部雜訊的設計指南
AC至DC電源供應器有三個產生雜訊的領域:
(1)已經存在於AC電源的雜訊進入電源裝置(共同模式/差分模式);
(2)電源供應的開關頻率引起的(共同模式);
(3)當MOSFET關斷時產生的快速切換邊緣和由此引起的振鈴ringing(共同模式)。
AC電源
若有雜訊電力主線,則可使用交流(AC)電力線濾波器。在使用交流(AC)電力線濾波器時,應確保將其安裝在盡量接近AC電力線進入電路板(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。
為了降低來自進入和離開設備的共享模式和差分模式雜訊,應使用交流 (AC) 電力線濾波器。見交流 (AC) 電力線主濾波器部分。
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