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电源和DC/DC转换器中的电磁兼容性(EMC)问题

   2024-01-05 安规与电磁兼容网RECOM1950
本文导读:电源和DC/DC转换器是现代电子设备中必不可少的重要组成部分,它们不仅为电路提供稳定的直流电源,而且还需要考虑电磁兼容性(EMC)问题。因为如果不考虑EMC问题,它们可能会对其他电子设备造成干扰或受到干扰。本文

电源和DC/DC转换器是现代电子设备中必不可少的重要组成部分,它们不仅为电路提供稳定的直流电源,而且还需要考虑电磁兼容性(EMC)问题。因为如果不考虑EMC问题,它们可能会对其他电子设备造成干扰或受到干扰。本文将详细介绍电源和DC/DC转换器中的EMC考虑因素。

无论问题是由辐射还是传导发射引起的,充电器都必须符合已发布的强制性电磁兼容性(EMC) 标准。这些标准还包括对主电源谐波发射和“闪烁”的限制,以及对规定水平的磁场、电场和电磁场的抗扰性;线路浪涌和瞬态;以及静电放电。全球使用的国际标准为 IEC 61000 系列。

您应该期望看到的滤波

充电器的设计者还有什么可以做得更好?首先看传导发射,该产品作为开关模式电源,可以产生线对线差模 (DM) 和线对地共模 (CM) 噪声(图 1)。DM 输入噪声通过线对线“X”电容器和串联电感器衰减,因此,在尺寸和成本限制范围内,可以轻松将足够高的元器件值降至较低水平。设计者通常试图将电容值保持在 100 nF 以下;然而,如上所述,元器件必须在规定的时间内放电到安全电压,从而强制增加并联电阻。此外,如果永久留在电路中,电阻器的恒定泄漏电流可能会使符合待机和空载损耗标准成为问题。尽管电感器的值可以很高,但它们通过最大交流运行电流;因此,为了避免饱和,这些值有时必须实际上很高。在这方面,铁粉或气隙铁氧体类型就是典型的例子。


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图 1:AC/DC 转换器输入端的差模和共模噪声


虽然对 DM 噪声没有直接的法定限制,但对 CM 噪声有限制,并且 CM 的典型测试方法使用线路阻抗稳定网络 (LISN),符合多媒体设备的 CISPR 32 等所要求的标准。然而,LISN 也记录了一半的 DM 噪声,因此有充分的理由对其进行衰减。来自线路和中性点接地的 CM 噪声往往以电流源的形式进入 LISN 的低 50 ohm 阻抗,而来自线路或中性点接地的“Y”型电容器提供了一个局部回流路径,因此噪声不会在外部循环,从而记录在 LISN 中。然后,每条电源线上有一个耦合绕组的 CM 扼流圈,作为转换器和电源之间的屏障。它可以使用高磁导率无气隙铁氧体,因为绕组与相位相关,所以运行电流会磁性抵消,为 CM 噪声元件留下高阻抗。CM 扼流圈可以通过控制绕组之间的泄漏电感进行缠绕,从而产生 DM 和 CM 衰减的组合。

瞬态滤波水平取决于安装过电压类别

除了衰减发射,AC/DC 输入滤波器还提供了对输入过电压的抗扰性,这些过电压可以是高电压、低能瞬变和突发,也可以是低电压的浪涌。观察到的水平取决于 I 至 IV 级(严重程度不断增加)的安装过电压类别 (OVC)(表 1)。


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表 1:过电压类别的定义


充电器应至少符合 OVC II 标准,这通常需要添加输入瞬态抑制器元器件,如压敏电阻 (VDR)。相反,如果是 OVC IV,您会看到高能额定 VDR,可能还有多个气体放电管。

此外,如果对充电器进行了是否符合欧盟 EMC 指令的评估(如其 CE 标志所示),则充电器还必须不受特定水平的外加电场、磁场和 RF 场以及静电放电 (ESD) 的影响。此处输入滤波不是解决方案,但良好的内部布局和设计实践通常也有助于满足发射限制。

设计从“集总”元器件开始

任何开关模式转换器设计都可以从所选拓扑中的集总元器件开始,并计算一阶性能。但是,如果考虑到 EMC 因素,则必须使用“真实”而非“理想”元器件(图 2)。元器件的高阶或“寄生”特性通常会导致EMC 问题。例如,这些可能是对地杂散电容导致 CM 噪声电流,或者是连接的串联电感导致辐射。甚至图 2 中描述的真实元器件也很简单。通常,寄生值是非线性的,例如电容器 ESR 随频率剧烈变化。此外,一些寄生现象的特征存在不连续性。例如,MOSFET 总输入电容根据开关状态在有效值之间交替变化。


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图 2:一阶的“理想”元器件及其“真实”等同物


除了直流电阻(仅随温度变化)之外,即使是电线和轨道连接也具有随频率和材料变化的交流电阻。这是由于固有电感和导体中心涡流抵消引起的“趋肤效应”。根据经验,频率为 f 的电流在铜导体中传播的深度为 δ = 66/√f(图 3)。例如,在 100 kHz 下直径为 0.4 mm 的电线应不会出现趋肤效应。在大多数情况下,这是一个极其近似的值,但 δ 实际上是电流下降到 1/e 或总电流的 37%(非零)的深度,严格适用于正弦波(而不是转换器设计中经常观察到的复杂交流波形)。


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图 3:由于“趋肤效应", 交流电流集中在导体外表薄层, 这取决于材料和频率。


 
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