開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMI方案

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的高頻大功率開(kāi)關(guān)可能產(chǎn)生干擾信號(hào)。輸入電源線(xiàn)上的傳導(dǎo)噪聲可以差?；蚬材Ｔ肼曤娏餍纬沙霈F(xiàn)。主要是低頻的差模噪聲，在基頻開(kāi)關(guān)頻率和諧波頻率呈現(xiàn)在輸入電感上。共模噪聲主要有高頻分量，在轉(zhuǎn)移器輸入電感器和地之間量測(cè)，同樣，在開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出包含某種噪聲和紋波。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)EMI(電磁干擾)濾波，可降低噪聲到可接受的限度內(nèi)。

　　在歐洲和美國(guó)，傳導(dǎo)噪聲發(fā)射由FCC和VDE標(biāo)準(zhǔn)的ClassA和 ClassB限定，在歐洲所有國(guó)家都要求家庭和工廠所用設(shè)備都要滿(mǎn)足VDEClassB標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)，F(xiàn)CC要求工廠用設(shè)備遵從ClassA，而家用設(shè)備要遵從更嚴(yán)格的ClassB標(biāo)準(zhǔn)。

　　降低輸入噪聲的EMI濾波器方案

　　現(xiàn)在大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源工作在100KHz~1MHz頻率范圍內(nèi)，反射回電源的傳導(dǎo)噪聲譜的主要峰值對(duì)應(yīng)基頻開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量。傳導(dǎo)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)(如EN55011，EN55022)規(guī)定在150KHz~30MHz頻率范圍內(nèi)，從轉(zhuǎn)換器或電源系統(tǒng)的輸入反射到源的準(zhǔn)峰值和平均限度傳導(dǎo)噪聲。為了遵守此標(biāo)準(zhǔn)，傳導(dǎo)噪聲譜中的所有峰值必須低于特定的限度。

　　元件和密封式濾波方案

　　EMI濾波器往往做在單封裝中，圖1示出其配置。EMI濾波器是一種通孔濾波器，有一個(gè)共模扼流圖、Y電容器(線(xiàn)—地)，兩個(gè)附加的電感器和一個(gè)X電容器(線(xiàn)—線(xiàn))，z1提供瞬態(tài)保護(hù)。這種濾波器配置，提供足夠的插入損耗來(lái)遵守Leve1-B傳導(dǎo)發(fā)射限度。

盡管如此，在電源設(shè)計(jì)中，通常用電容器、電感和濾波器來(lái)降低或衰減共模和正態(tài)模式的傳導(dǎo)噪聲。

　　圖2a左邊圖所示的48V輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入有一個(gè)差模電容器C1。這個(gè)單模電解電容器(120mF，100V)，用于確保低輸入阻抗穩(wěn)定和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。此電容器是轉(zhuǎn)換器的能量?jī)?chǔ)存器。為得到最大效益，此電容器必須盡可能地靠近模塊的輸入引腳。

　　圖2b示出增加旁路電容器到變換器，這與差模電容器的組合是相當(dāng)理想的，注意，在每個(gè)輸入引腳的旁路電容器是連到基板(此處是地)，每個(gè)輸出引腳連到基板。這些電容器是4700pF(100V)電解電容。

　　48V設(shè)計(jì)(100%負(fù)載)所產(chǎn)生的噪聲比3.3V設(shè)計(jì)(50%負(fù)載)稍微大點(diǎn)。

　　圖2c所示48V設(shè)計(jì)增加一個(gè)27μH差分電感器。

　　圖2d所示電路增加一個(gè)共模扼流圖。共模電圖2d所示電路增加一個(gè)共模扼流圖。共模電感器能加重電容器的能力。這是因?yàn)樗鼘?duì)來(lái)自變換器的共模噪聲能提供高阻抗，使噪聲通過(guò)電容器這個(gè)最小阻抗通路到地。

　　有源EMI輸入濾波器方案

　　電信中的傳導(dǎo)EMI依從性做為DC-DC變換器中有源濾波器的一個(gè)重要應(yīng)用已呈現(xiàn)出來(lái)。過(guò)去，傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)EMI測(cè)試和確認(rèn)集中在離線(xiàn)AC輸入電源。在2003年P(guān)ICMG(PIC工控機(jī)制造者協(xié)會(huì))批準(zhǔn)電信板新的指標(biāo)PICMG3.0(通稱(chēng)先進(jìn)的電信計(jì)算結(jié)構(gòu)ATCA)后發(fā)生了變化。此指標(biāo)要求DC供電板滿(mǎn)足傳導(dǎo)EMI的EN55022限制。板上的濾波保證不同板之間的互操作性，并降低了每個(gè)設(shè)備機(jī)架所需的整體濾波量。

　　現(xiàn)在，電子業(yè)趨向于在更小的空間具有更多的功能的小器件。隨著空間的減小，器件之間潛在的干擾，隨著系統(tǒng)組裝更多功能板和機(jī)架而增加。隨著頻率提高和電壓電平下降，傳導(dǎo)EMI的控制變成為一個(gè)更重要的設(shè)計(jì)任務(wù)。電信板不排除趨于在更密的封裝中具有更高的性能。ATCA，PICMG3.0規(guī)范支持在標(biāo)準(zhǔn)19 ”機(jī)架內(nèi)2.5Tb背板寬度。一個(gè)流行的ATCA機(jī)架在19×21×15英寸容積內(nèi)，可以有14個(gè)板。

　　為了支持更高的性能，每個(gè)板可以用高達(dá)200W的DC電源。EMI依從性做起來(lái)更困難，因?yàn)槊繅K板需要從-48Vdc輸入提供自己的電源。磚式或分離變換器的板上DC-DC變換器在每個(gè)板上產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射EMI。與密集的PCI相比，EMI控制變成一件困難的事情。

　　為使板到板，機(jī)架到機(jī)架的干擾最小，要求ATCA板為傳導(dǎo)EMI提供板上濾波。PICMG3.0規(guī)定，每個(gè)板必須滿(mǎn)足EN55022B傳導(dǎo)噪聲規(guī)范。采用板級(jí)濾波方法，可使板間干擾最小。同時(shí)，PICMG3.0也要求機(jī)架滿(mǎn)足總的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。用“分布”濾波器控制板上EMI，其機(jī)架所需的濾波器可以更小。對(duì)于流行的ATCA機(jī)架所用濾波器需要支持60A DC電流。支持此電流的電感器是足夠大，控制板上EMI有助于保持這些電感器盡可能小。

　　圖3所示的有源EMI濾波器，在頻率范圍150KHz~30MHz(傳導(dǎo)輻射標(biāo)準(zhǔn)EN55022所要求的)內(nèi)，能衰減傳導(dǎo)模式和差模噪聲。用48Vdc總線(xiàn)(36~76Vdc)設(shè)計(jì)，共7A額定值支持多DC-DC變換器負(fù)載。

與無(wú)源方案相比，采用有源濾波器能減小共模扼流圖的體積，提供一種低尺寸表面貼裝器件。特別是有源EMI濾波器也減少了電感元件的尺寸，使EMI濾波器能封裝在1×1×0.2英寸的封裝中。較小的尺寸節(jié)省了寶貴的板面積、降低了高度，增加板應(yīng)用中的氣流，這有助于板設(shè)計(jì)師挽回一些EMI控制所需而失去的空間。有源濾波器的7A額定值很容易處理200W ATCA板所需的電流。

　　測(cè)試結(jié)果表明，有源濾波器把總傳導(dǎo)噪聲降低到低于所要求的限值是有效的。

　　多功能輸入濾波器模塊

　　一些DC-DC變換器供應(yīng)商也提供AC-DC模塊前端。這種器件具有多種功能，包括EMI濾波。例如，一個(gè)這樣的模塊是濾波器/自動(dòng)調(diào)整整流器，此模塊是提供EMI濾波、自動(dòng)調(diào)整線(xiàn)路整流和啟動(dòng)電流限制。這使得設(shè)計(jì)師能滿(mǎn)足各種標(biāo)準(zhǔn)的EMI要求。

　　降低輸入噪聲的EMI濾波器方案

　　開(kāi)關(guān)DC-DC變換器在其輸出也呈現(xiàn)有紋波和噪聲。此輸出噪聲，通常稱(chēng)之為周期與隨機(jī)偏差(PARD)，它是所有紋波和疊加電源DC輸出上的噪聲成份之和。開(kāi)關(guān)DC-DC變換器的紋波和噪聲電平為幾十毫伏。

　　組合有源和無(wú)源濾波功能的輸出紋波衰減器模塊，負(fù)載高達(dá)20A時(shí)，可限制輸出噪聲小于3mV峰-峰值。這樣的模塊尺寸為2.28×2.4×0.5英寸，能在DC~20MHz頻率范圍內(nèi)衰減低頻輸入電源的基波和諧波，其效率為93~99%。

　　另一種在單封裝系統(tǒng)(SiP)中的輸出紋波衰減器采用有源濾波，在1KHz~500KHz范圍內(nèi)，可降低電源輸出紋波和噪聲(PARD)超過(guò)30dB。這種結(jié)構(gòu)改善了瞬態(tài)響應(yīng)，并保證靜態(tài)負(fù)載點(diǎn)調(diào)整。它用變換器的遠(yuǎn)程感測(cè)特性或器件的調(diào)節(jié)引腳來(lái)調(diào)整負(fù)載。