電源轉(zhuǎn)換器的電磁兼容性原理及設(shè)計(jì)

EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁兼容性）在過(guò)去十年間已經(jīng)成為一個(gè)家喻戶曉的名詞。在90年代中期，歐洲要求降低銷售至區(qū)內(nèi)產(chǎn)品的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射水準(zhǔn)。此后，許多產(chǎn)品開(kāi)始在其設(shè)計(jì)階段導(dǎo)入EMC測(cè)試。而此一趨勢(shì)一直延續(xù)到現(xiàn)今的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

　　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(tǒng)在預(yù)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(xiàn)退化及成為干擾源。要設(shè)計(jì)出這樣的功能，必須要遵循EMC標(biāo)準(zhǔn)，而這些標(biāo)準(zhǔn)是由IEC和CISPR等團(tuán)體所制定的。本文將討論EMC有關(guān)輻射和傳導(dǎo)，包括共同（common）模式和差分（differential）模式發(fā)射的規(guī)定，以及探討如何設(shè)計(jì)電力線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(shè)計(jì)技巧。

　　1 EMC規(guī)定

　　為了獲得可靠的EMC設(shè)計(jì)，必須對(duì)EMC的要求有所了解。這些要求不只是針對(duì)模塊電源，同時(shí)也是針對(duì)歐洲和北美共有的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）負(fù)責(zé)擬定歐洲規(guī)格，而CISPR（國(guó)際射頻干擾特別委員會(huì)）則負(fù)責(zé)采用CISPR 22進(jìn)行EMC試驗(yàn)，CISPR 22定義了傳導(dǎo)發(fā)射的最嚴(yán)格限制。這些限制（傳導(dǎo)發(fā)射）現(xiàn)由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN55022(圖1)和EN55011(圖2)描述出來(lái)。圖1和圖2中的A類和B類要求分別指的是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（domestic standard）。根據(jù)測(cè)試雜訊所用天線的不同，歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有兩種限制。較高限制是針對(duì)準(zhǔn)峰值天線，較低限制則是針對(duì)一般天線，但兩種限制都必須達(dá)到，以便讓設(shè)備可以通過(guò)要求。北美使用的FCC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格與歐洲的EN要求相似，請(qǐng)參考圖2。在測(cè)試電源供應(yīng)時(shí)使用了兩種歐洲標(biāo)準(zhǔn)：EN55011和EN55022。在北美，輻射EMI通常在30MHz至10GHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)量（根據(jù)FCC的規(guī)定），而傳導(dǎo)EMI一般在幾個(gè)至30MHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量（根據(jù)FCC的規(guī)定）。

　　這里的目的是開(kāi)發(fā)能夠滿足上述與發(fā)射有關(guān)的全部或一部份要求的系統(tǒng)，可以是獨(dú)立的設(shè)備，也可以是整合在更大系統(tǒng)中的系統(tǒng)。

　　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(tǒng)的兩條電源線上，并以相同的方向在所有導(dǎo)線和接地之間以及全部的電源線或?qū)Ь€上傳送。由于兩根導(dǎo)線同時(shí)具有相同的電平，導(dǎo)線之間的設(shè)備不會(huì)對(duì)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(shè)備的纜線上。降低這個(gè)電流的方法之一，就是在原始模型上盡早測(cè)試?yán)|線（使得設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)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(cè)試（compliance testing）之前。在許多情況下，如果設(shè)備不能通過(guò)共享模式電流測(cè)試，那么也不會(huì)通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)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(cè)試。而響應(yīng)范圍高達(dá)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(dǎo)體后從另一個(gè)導(dǎo)體折射所產(chǎn)生的。這會(huì)在帶電和中性導(dǎo)體之間產(chǎn)生雜訊電壓。

　　3交流電力線主濾波器

　　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(yīng)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(dǎo)體后從另一個(gè)導(dǎo)體折射所產(chǎn)生。L1和C1或L2和C1的組合構(gòu)成了一個(gè)分壓器。根據(jù)雜訊的頻率，電容器C1對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)出較小的阻抗（較大負(fù)載），因此降低了電源線上的雜訊。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(qiáng)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(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(yī)療設(shè)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的范圍。電容器C2至C5是針對(duì)共享模式雜訊的Y類電容器，需要能夠保證不會(huì)在短路時(shí)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。

　　5降低電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部和外部雜訊的設(shè)計(jì)指南

　　AC至DC電源供應(yīng)器有三個(gè)產(chǎn)生雜訊的領(lǐng)域：

　　(1)已經(jīng)存在于AC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(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率引起的（共同模式）；

　　(3)當(dāng)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，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(shí)，應(yīng)確保將其安裝在盡量接近AC電力線進(jìn)入電路板（PCB）的位置，。濾波器的接地連接也應(yīng)盡可能的短，以便與電源初級(jí)的接地板連接。

　　為了降低來(lái)自進(jìn)入和離開(kāi)設(shè)備的共享模式和差分模式雜訊，應(yīng)使用交流 （AC） 電力線濾波器。見(jiàn)交流 （AC） 電力線主濾波器部分。