DC/DC轉(zhuǎn)換器EMI的工程師指南-第1部分，規(guī)范和測量

簡介

多數(shù)電源應用必須減少電磁干擾(EMI)以滿足相關要求，系統(tǒng)設計人員必須嘗試各種方法來減少傳導和輻射發(fā)射。

電磁兼容性(EMC)標準的合規(guī)性(例如，針對多媒體設備的CISPR 32，針對汽車應用的CISPR 25)是一項非常重要的任務，與產(chǎn)品開發(fā)成本和上市時間息息相關。

對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，雖然采用開關更快的電源器件可以提升開關頻率并縮小尺寸，但在開關轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)的開關電壓和電流轉(zhuǎn)換率(dv/dt和di/dt)有所提升，通常引起EMI加劇，導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

例如，氮化鎵(GaN)電源器件的開關速度極快，導致高頻條件下的EMI增加10dB。EMI濾波器是電力電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分，在總體積和總重量方面占比相對較大。因此，必須非常關注系統(tǒng)的EMI降噪和抑制，不僅要滿足EMC規(guī)范，還需降低解決方案成本并提高系統(tǒng)功率密度。

本文是EMI系列文章的第一部分，回顧了相關標準和測量技術，主要側(cè)重于傳導發(fā)射。表1列出了與EMI有關的常用縮寫和命名法。

表1：與EMI和EMC相關的常見縮略語、縮寫和單位

EMC監(jiān)管規(guī)范

EMC指系統(tǒng)或內(nèi)含元器件在其電磁環(huán)境中按要求運行，不會對環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生超出容限的電磁干擾的能力。此類干擾可能造成嚴重后果，因此各種國內(nèi)和國際監(jiān)管規(guī)范中均設立了EMC條款。

在歐盟區(qū)域內(nèi)，通信市場銷售的電源產(chǎn)品多年來通常采用EN 55022/CISPR 22產(chǎn)品標準，從而在傳導和輻射發(fā)射兩方面滿足合規(guī)性要求，歐盟之外參照此標準的電源產(chǎn)品使用CE符合性聲明(DoC)，滿足歐盟EMC指令2014/30/EU的合規(guī)性。

針對北美市場設計的產(chǎn)品符合FCC第15部分的限值。IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4通用EMC標準分別適用于輕工業(yè)和工業(yè)環(huán)境。

然而，在輻射方面，EN 55032產(chǎn)品標準已取代EN 55022(ITE)、EN 55013(廣播接收器和相關設備)和EN 55103-1(音視頻設備)。這一新標準正式成為符合EMC指令的統(tǒng)一輻射標準。更具體地說，之前根據(jù)EN 55022進行測試并在2017年3月2日后運往歐盟的所有產(chǎn)品，必須符合EN 55032的要求。

隨著EN 55022標準撤銷并由EN 55032取代，電源制造商和供應商需要按照新標準更新其DoC證書，從而合法地使用CE認證徽標。圖1顯示了在150kHz至30MHz的適用頻率范圍內(nèi)，使用準峰值(QP)和平均值(AVG)信號檢測器進行的傳導發(fā)射的EN 55022/32 A類和B類限值。

圖1：使用準峰值和平均值檢測器的EN 55022 A類和B類傳導發(fā)射限值

對于汽車終端設備，未來EMC合規(guī)性的主要推動力無疑來自于通過車輛間通信支持的自主車輛。針對“板載接收器保護”的CISPR 25規(guī)范已針對傳導發(fā)射設置了嚴格的限制，在FM頻帶(76MHz至108MHz)的限制尤為嚴格。

從監(jiān)管角度而言，UNECE 10號法規(guī)在2014年11月取代了歐盟的汽車EMC指令2004/104/EC，其中要求制造商必須取得所有車輛、電子元器件(ESA)、元器件和獨立技術單元的型式認證。

CISPR 25測試的傳導發(fā)射均在150kHz至108MHz頻率范圍的特定頻帶內(nèi)進行測量。具體而言，調(diào)節(jié)頻率范圍分布在AM廣播、FM廣播和移動服務頻帶之間，如圖2中的圖象和表格所示。圖2還繪制了CISPR 25 5類(最嚴苛的要求)的相關限值圖象。盡管頻帶之間的帶隙允許更高的噪聲尖峰，但汽車制造商可能會根據(jù)其特定的內(nèi)部EMC要求選擇擴展這些頻率范圍。這些要求通?；趪HIEC標準，僅更改不同測試或限值的少量參數(shù)，其核心內(nèi)容保持不變。

圖2：CISPR 25 5類傳導發(fā)射限值

為了應對CISPR 25限值帶來的挑戰(zhàn)，尤其是FM頻帶方面，請注意，50Ω測量電阻產(chǎn)生的18dBμV對應的噪聲電流僅為159nA。

測量傳導EMI

LISN測量EUT產(chǎn)生的傳導發(fā)射。它是插入EMI源和電源之間測量點的接口，確保EMI測量結(jié)果的可重復性和可比較性。圖3所示為根據(jù) CISPR 16-1-2[12]或ANSI C63.4標準定義的標準50μH LISN的功能等效電路(并非完整原理圖)。

LISN提供：

·在給定頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生經(jīng)過校準的穩(wěn)定信號源阻抗。

·在該頻率范圍內(nèi)，將EUT和測量設備與輸入電源隔離。

·與測量設備建立安全適用的連接。

·單獨測量兩條線路的總噪聲級別，圖3中以L和N表示。

圖3：使用V型LISN進行的傳導發(fā)射測量

簡而言之，使用信號源阻抗已知的預定義測試方案能夠獲得可重復性結(jié)果。注：LISN可能包含一個或多個獨立LISN電路。

LISN 的實質(zhì)是pi濾波器網(wǎng)絡。通過低通電感-電容(LC)濾波器，EUT與輸入電源線L和N相連，如圖3所示。LISN電感值基于在產(chǎn)品理想安裝狀態(tài)下，電源線的預期電感。

CISPR 16和ANSI C63.4為LISN指定了一個50μH電感，該值與電信設備中約50米的配電布線系統(tǒng)的電感相符。相反，CISPR 25指定5μH LISN，與汽車線束的近似電感相對應。

LISN為噪聲發(fā)射信號提供明確定義的阻抗。LISN制造商通常提供校準曲線，指示特定測量頻率范圍內(nèi)的標稱阻抗。根據(jù)CISPR 16-1-2，允許的容差是±20%的幅值和±11.5°的相位。

對于使用EMI接收器或頻譜分析儀進行的測量，噪聲信號可通過高通濾波器網(wǎng)絡(如圖3所示)獲得，該網(wǎng)絡的耦合電容為0.1μF，放電電阻為1kΩ，測量端口的端接電阻為50Ω。圖4顯示了在150kHz至30MHz的頻率范圍，(50μH+5Ω)||50Ω LISN的模擬阻抗圖。

圖4：在150kHz至30MHz的調(diào)節(jié)頻率范圍內(nèi)，測量端口處的50Ω，50μH LISN標稱阻抗特性

針對汽車應用的CISPR 25測試裝置

圖5顯示了CISPR 25推薦的傳導發(fā)射測試裝置。該標準定義了待測系統(tǒng)的處理方式以及測量方案和設備。根據(jù)CISPR 25規(guī)范，LISN在此處指定為AN。當汽車功率回流線超過200mm時，EUT遠程接地，需要兩個AN：二者分別用于正電源線和功率回流線。相反，如果汽車功率回流線不超過200mm，則EUT本地接地，只需將一個AN應用于正電源。

AN直接安裝在基準接地平面之上，AN外殼與接地平面相連。電源回流線還與電源和AN之間的接地平面相連。將EMI接收器連接到相應AN的測量端口可確保成功測量每條電源線上的傳導發(fā)射。與此同時，插入另一條電源線的AN的測量端口端接50Ω負載。

圖5：CISPR 25傳導EMI測試方案(電壓法)概述

圖6顯示了用于預合規(guī)測試的CISPR 25傳導發(fā)射試驗室。LISN是右側(cè)的藍色箱體，鋰離子汽車電池位于其后，DUT位于左側(cè)的絕緣材料上。為了在特定電源電壓下(例如13.5V)進行測試，使用可變電壓源從試驗室外部通過隔板饋電。結(jié)果通過各自的LISN在線路端(熱回路)和返回端(接地)獲取。

圖6：使用兩個單極LISN和銅箔接地平面的CISPR 25傳導EMI測試裝置

圖7顯示了典型的CISPR 25傳導EMI掃描結(jié)果，黃色和藍色分別表示峰值和平均測量值。我們可以看到DC/DC轉(zhuǎn)換器安靜地運行，傳導發(fā)射遠低于嚴格的5類限值。這種測量技術在30MHz以上發(fā)生改變，因為EMI接收器的RBW從9kHz調(diào)整為120kHz，可能導致測量噪底發(fā)生變化。

圖7：典型的CISPR 25傳導EMI測量

總結(jié)

有意或者無意產(chǎn)生的電磁能量均對其他設備造成電磁干擾。商業(yè)產(chǎn)品需要在正常運行過程中將產(chǎn)生的電磁能量降至最低水平。

世界各地的許多管理機構均對允許最終產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導和輻射EMI的等級進行了規(guī)定。采用適用的測量技術可以定量分析此類發(fā)射，以便采取適當?shù)拇胧┓戏ㄒ?guī)的合規(guī)性。

EMC要求通常事關在AC電源線(和信號線)所測量系統(tǒng)的整體情況，而DC/DC轉(zhuǎn)換器作為子元器件，并沒有具體的EMC限值。然而，用戶可以執(zhí)行預合規(guī)性測試，確定EMI是否造成不良影響。