詳解如何選擇EN55022標(biāo)準(zhǔn)低EMI電源
引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/228267.htm由于市場(chǎng)對(duì)于提升信息技術(shù)和通信設(shè)備性能的需求,因此如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著必需設(shè)計(jì) EMI 兼容產(chǎn)品的巨大挑戰(zhàn)。在銷售之前,所有通常被規(guī)定為具有一個(gè)高于 9kHz 之已調(diào)時(shí)鐘信號(hào)的信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 都必須滿足相關(guān)的政府標(biāo)準(zhǔn),例如美國(guó)的 FCC Part 15 Subpart B 和歐盟的 EN55022,這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)環(huán)境 (Class A) 以及家庭環(huán)境 (Class B) 的最大可容許輻射發(fā)射。鑒于此類嚴(yán)格的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)、工程人力資源限制和產(chǎn)品快速上市要求,使得通過 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之電源模塊的普及率有所提高。然而重要的是必須知曉電源模塊在認(rèn)證時(shí)所處的電氣操作條件,以避免在之后的設(shè)計(jì)過程中感到詫異。對(duì)開關(guān)模式穩(wěn)壓器中的 EMI 干擾源和場(chǎng)強(qiáng)因子有所了解將有助于設(shè)計(jì)工程師選擇最佳的組件,以減輕特別是那些所需電流水平較高之尖端設(shè)備中的電磁輻射。
EMI 輻射源
由于其特殊的性質(zhì),開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生輻射到周圍大氣中的電磁波。脈沖電壓和電流將因開關(guān)動(dòng)作而出現(xiàn),并直接影響輻射電磁波的強(qiáng)度 (見邊欄)。此外,轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生器件也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。圖 2 給出了一款典型的降壓型轉(zhuǎn)換器,其包括功率 MOSFET 的寄生電感器和寄生電容器。
在每個(gè)開關(guān)周期里,存儲(chǔ)在寄生電感器中的能量將和存儲(chǔ)于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當(dāng)能量釋放時(shí)將在開關(guān)節(jié)點(diǎn) (VSW) 上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰,其最大可達(dá)輸入電壓的兩倍,如圖 3 所示。當(dāng) MOSFET 的電流能力增加時(shí),存儲(chǔ)在寄生電容器中的能量往往也會(huì)增加。另外,開關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過頂端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。此脈沖電流將在輸入電源電纜和 PCB 板印制線 (其充當(dāng)了發(fā)射天線) 上產(chǎn)生電波,從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。
當(dāng)輸入電壓和輸出電流增加時(shí),每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰也將增大。而且,輸出電流越高,電路回路內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此,輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測(cè)試器件所處的電氣操作條件。一般來說,輻射噪聲將隨著輸入電壓和輸出功率 (特別是輸出電流) 的提高而增加。由于作為低噪聲替代方案的線性穩(wěn)壓器效率過低,而且在高電壓和高功率級(jí)別下耗散過多的熱量,因此設(shè)計(jì)工程師不得不克服因采用最先進(jìn)的開關(guān)電源解決方案而引發(fā)的難題,其中的 EMI 抑制變得頗為棘手。
EMI 抑制
用于降低來自開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輻射 EMI 之替代方法面臨著其他的難題。一種傳統(tǒng)方法是在電源解決方案周圍增設(shè) EMI 屏蔽,其將在金屬外殼內(nèi)包含一個(gè) EMI 場(chǎng)。然而,EMI 屏蔽會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性、尺寸和成本。在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上 (VSW) 布設(shè)一個(gè) RC 減振器電路可幫助減小電壓尖峰和后續(xù)的振鈴。可是,增設(shè)一個(gè)減振器電路將降低工作效率,從而增加功率耗散,導(dǎo)致環(huán)境溫度和 PCB 溫度升高。最后一種對(duì)策是采取優(yōu)良的 PCB 布局方案,包括使用局部低 ESR 陶瓷去耦電容器,并為所有的大電流通路采用簡(jiǎn)短的 PCB 走線間隔,以最大限度地抑制圖 2 中所示的寄生效應(yīng),不過代價(jià)是增加了工程設(shè)計(jì)時(shí)間并延緩了產(chǎn)品的上市進(jìn)程。
總的說來,為了同時(shí)滿足尺寸、效率、熱耗散和 EMI 規(guī)格要求,工程師必需具備豐富的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并做出艱難的權(quán)衡取舍,特別是在高輸入電壓、高輸出功率應(yīng)用中 (原因如上所述)。為了評(píng)估折衷策略和設(shè)計(jì)一款符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)并滿足所有系統(tǒng)要求的電源轉(zhuǎn)換器,電路設(shè)計(jì)人員常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。
保證符合EMI 標(biāo)準(zhǔn)的解決方案
為了對(duì)一款簡(jiǎn)單和符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的高輸出功率電源設(shè)計(jì)提供保證,凌力爾特公司向一家獨(dú)立的認(rèn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)室 (TUV Rheinland) 提交了 LTM4613 8A 降壓型 μModule? 穩(wěn)壓器演示板 (DC1743 ),該實(shí)驗(yàn)室的 10 米 EN55022 試驗(yàn)箱得到了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (U.S. National Institute of Standards and Technology — NIST) 的正式認(rèn)可。在一個(gè) 24V 輸入提供 96W 輸出功率的情況下,發(fā)現(xiàn) LTM4613 演示板符合 EN55022 Class B 限值。只需采用輸入電容、輸出電容和少量的其他小型組件,即可輕松實(shí)現(xiàn)一款符合 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)的“無憂型”解決方案,特別是在采用可免費(fèi)下載的 DC1743 光繪 (Gerber) 文件的情況下。
在市面上所有經(jīng)驗(yàn)證符合 EN55022B 規(guī)范的電源模塊產(chǎn)品中,LTM4613 可提供最高的輸出功率和效率。憑借一個(gè)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)的集成型濾波器、細(xì)致的內(nèi)部布局、屏蔽電感器、內(nèi)部減振器電路和功率晶體管驅(qū)動(dòng)器,LTM4613 在尺寸、輸出功率、效率和 EMI 輻射之間實(shí)現(xiàn)了完美的平衡。LTM4613 與經(jīng) EN55022B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的 μModule 穩(wěn)壓器系列中其他許多成員 (其具有各種不同的輸出功率級(jí)別) 一起免除了增設(shè)磁屏蔽和外部減振器的需要,從而削減了解決方案總體尺寸、成本以及某些麻煩的設(shè)計(jì)任務(wù)。
總結(jié)
針對(duì) EMI 相符性來設(shè)計(jì)信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 產(chǎn)品是一項(xiàng)必然要求,它需要超乎尋常的技巧和時(shí)間。雖然很麻煩,但是對(duì)于保證相鄰電子設(shè)備或系統(tǒng)自身內(nèi)部其他附屬組件的正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)而言,此類限制是至關(guān)緊要的。為滿足這一需求,業(yè)界推出了諸如 LTM4613 等經(jīng)過 EN55022 Class B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的電源模塊。然而,由于 EMI 場(chǎng)強(qiáng)在很大程度上取決于諸多的因素 (例如:輸入電壓、輸出電流、輸出電壓和 PCB 布局),因此在比較產(chǎn)品時(shí)應(yīng)確定:EN55022 認(rèn)證是在相似的電氣條件下進(jìn)行的 (由業(yè)界認(rèn)可的 EMI 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在與您的設(shè)計(jì)相近的輸入電壓和輸出功率級(jí)別下實(shí)施)。凌力爾特公布了針對(duì)最常見工作條件的 EMI 測(cè)試結(jié)果和演示板光繪文件,從而提供了一款由授權(quán)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的良好電源設(shè)計(jì),這給客戶吃了顆“定心丸”。
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評(píng)論