開關(guān)制式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡易EMI方案

所有的 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器由于要盡量提高開關(guān)頻率和傳送功率，都會(huì)產(chǎn)生潛在的干擾信號(hào)，在輸入端的傳導(dǎo)噪聲，會(huì)以差?；蚬材Ｐ问匠霈F(xiàn)。差模噪聲是當(dāng)電流通過輸入導(dǎo)體的基頻及其諧波時(shí)產(chǎn)生的，通常都處于低頻的。共模噪聲大多是高頻的，于轉(zhuǎn)換器的輸入導(dǎo)體及地線中間形成。同樣地，開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)于輸出端產(chǎn)生噪聲以及紋波。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和設(shè)置 EMI 濾波會(huì)將噪聲減少至可接受程度。

在歐洲和美國，例如，傳導(dǎo)噪聲是按 FCC 和 VDE標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)和 B 級(jí) 限制嚴(yán)格管理的。在歐洲，所有國家均要求家用電器和工業(yè)設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足 VDE 標(biāo)準(zhǔn) B 級(jí)要求。在美國，工業(yè)設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足 FCC 標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)要求，家用電器的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足更嚴(yán)格的 FCC 標(biāo)準(zhǔn) B 級(jí)要求。

減少輸入端噪聲的 EMI 濾波方案

現(xiàn)時(shí)多數(shù)的開關(guān)電源的開關(guān)頻率在 100 kHz 至1 MHz 之間。通常反射到電網(wǎng)之傳導(dǎo)噪聲頻譜上的主要尖峰來自開關(guān)頻率之基頻及其諧波分量。

一些傳導(dǎo)排放標(biāo)準(zhǔn)，如 EN55011 及 EN55022 設(shè)定轉(zhuǎn)換器及電源系統(tǒng)反射到電網(wǎng)的準(zhǔn)峰值及平均值；反射傳導(dǎo)噪聲需要在限制 150 kHz 至 30 MHz間。要符合這些要求，所有高峰頻譜上的傳導(dǎo)噪聲，必須低于規(guī)定的限度。

濾波方案的組件及封裝

EMI 濾波器經(jīng)常被設(shè)置在一個(gè)單獨(dú)封裝內(nèi)(如圖1 的配置)。一般的 EMI 濾波器是穿孔式的，帶上共模扼流圈和 Y電容 (線到地)，再加兩個(gè)電感器和 X電容 (線到線)。瞬變保護(hù)由 Z1 負(fù)責(zé)。這結(jié)構(gòu)的輸入損耗足以符合級(jí)別B 傳導(dǎo)排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 – 符合EN55022級(jí)別B標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器

然而，一般的電源設(shè)計(jì)都加上電容、電感及濾波器來減少或衰減共模和常模傳導(dǎo)噪聲。首先，加上個(gè)別組件或?yàn)V波器對(duì)噪聲譜的影響，顯示了一個(gè)全共模濾波器導(dǎo)致的結(jié)果。它們的效果可以在噪聲頻譜上顯示出來。

圖2a 的左邊顯示一個(gè) 48 V 輸入 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在輸入端接上一個(gè)差模電容 C1 (120?F，100 V)。用以保持低輸入阻抗，穩(wěn)定電壓和提升瞬變反應(yīng)。它為模塊儲(chǔ)能。愈靠近輸入端，其效果更佳。

現(xiàn)在，以一個(gè)模塊加一個(gè)電容器作為開始的基礎(chǔ)。圖2a 右邊的圖譜；顯示了一個(gè) 48 V 輸入，150 W滿載工作的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接差模電容后的噪聲諧波含量，及按級(jí)別 A 和 B 要求的 EMI 和諧波標(biāo)準(zhǔn)。如果只加上差模電容；轉(zhuǎn)換器明顯不能滿足要求。因?yàn)殡娫丛皇菫榕浜先魏沃付ǖ?EMI標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。

圖2b 顯示加上旁路電容及差模電容的情形。注意每個(gè)接在輸入端上旁路電容是與基板接地的，而每個(gè)接在輸出端上旁路電容是與基板連接的。通常的電解電容值是 4700 pF，100 V 的 Y電容。噪聲水平雖仍未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但已有很明顯的改善。

相對(duì)于 3.3 V、半載，48 V 輸入、滿載應(yīng)用所產(chǎn)生的噪聲較高，但從圖2b 的圖譜顯示，已經(jīng)有明顯的改善。

就算加上一個(gè) 27 ?H 的差模電感 L1 (圖2c)，低頻噪聲仍達(dá)不到級(jí)別B 的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2d 顯示加上共模扼流圈后的情況。由于共模扼流圈也具差模電感，可取代差模扼流圈。共模電感加強(qiáng)了 Y電容的能量。這是由于共模扼流圈對(duì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生之共模噪聲形成高阻抗，使噪聲沿著較低阻抗之路徑，經(jīng) Y電容傳到地。

圖2 - 48 V, 150 W DC-DC轉(zhuǎn)換器接上不同器件的噪聲頻譜。

a.差模電容 b.旁路電容 c.差模電感 d.共模濾波器 (去掉差模扼流圈)

48 V 轉(zhuǎn)換器的噪聲現(xiàn)時(shí)只是稍高過級(jí)別B 標(biāo)準(zhǔn)；需要再加上濾波器。而在 3.3 V 應(yīng)用，加上一個(gè)共模濾波器后，不論是滿載或半載都完全符合級(jí)別B 的標(biāo)準(zhǔn)。

有源 EMI 輸入濾波方案

在通訊領(lǐng)域，對(duì)傳導(dǎo) EMI 的規(guī)范更高，要符合要求，有源濾波器便幫上大忙。過往通訊儀器只要求離線及交流輸入電源達(dá)到 EMI 的測試和符合要求。PICMG 于 2003 年修定新標(biāo)準(zhǔn)；訂定 PICMG 3.0 或 Advanced TCA?。要求 DC 電路板的傳導(dǎo)噪聲必須達(dá)到 EN55022 B級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。每塊電路板都要加上濾波器濾掉噪聲，減少板與板，機(jī)架與機(jī)架的干擾，也減少每個(gè)機(jī)架的總直流噪聲。

同時(shí)，采用體積更細(xì)小的元件，或把多項(xiàng)功能集合在一起，已是電子業(yè)的發(fā)展趨勢。由于空間見小，系統(tǒng)必需把多項(xiàng)功能密集在電路板或系統(tǒng)內(nèi)，器件之間的潛在干擾性便提升了。近代通訊應(yīng)用，輸出電壓較以往低，工作頻率需要提高，對(duì) EMI 噪聲的控制，便成為設(shè)計(jì)上更加重要的一環(huán)。通訊系統(tǒng)內(nèi)的刀峰式設(shè)計(jì)，便要求結(jié)集多項(xiàng)功能在一塊板上，并且需要優(yōu)良的性能表現(xiàn)。ATCA? PICMG 3.0 規(guī)格支持頻寬 2.5 Tb 的19” 機(jī)架。一個(gè)滿載的ATCA? 機(jī)架可載有14 塊電路板，體積是 19” x 21” x 15”。為要支持更多的功能，每一塊電路板可用上 200 W 功率電源。由于每塊電路板都需要由一個(gè) 48 Vdc 冗余輸入供電，要符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)就變得困難。由于每塊板上都帶電源，無論是采用磚式模塊或采用分立元件進(jìn)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射噪聲。相對(duì)于以往的 compact PCI，功率轉(zhuǎn)換都在板外進(jìn)行，處理刀峰式設(shè)備的 EMI 噪聲便非常棘手。

為了減少板與板，機(jī)架與機(jī)架間的噪聲干擾，ATCA? 要求在電路板上濾掉 EMI 傳導(dǎo)噪聲。PICMG 3.0 申明，每一塊電路板都需要符合EN55022 級(jí)別B 的傳導(dǎo)噪聲要求。透過電路板來達(dá)到濾波，使電路板之間的干擾減至最少。同時(shí)PICM 3.0 要求整個(gè)機(jī)架的 EMI 噪聲不能超標(biāo)。在板上分散濾波方式，機(jī)架需要的濾波器較小。否則要處理整個(gè) ATCA? 的機(jī)架；濾波器需支援差不多 60 A 電流。要足以應(yīng)付這電流；電感器要求很大，在板上分散濾波，有助于減少對(duì)電容器的要求。

有源 EM I濾波器 (見圖3) 可衰減超過 150 kHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 (CISPR22) 要求。這有源濾波器的規(guī)格是 48 Vdc母線 (36 – 76 Vdc)，額定電流 7 A，可支持多種DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電路板負(fù)載溫度達(dá) 60°F。

圖3 – 有源濾波器 (QP1標(biāo)簽)與DC-DC轉(zhuǎn)換器的連接圖。

CIN及C1、C2、C3及C4的值通常由轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商建議。

與無源方案相比，這有源濾波器可減少共模扼流圈占用的空間，提供了一個(gè)體積細(xì)的表面貼裝器件。特別是有源 EMI 濾波器同時(shí)減少電感體積，令整個(gè)EMI 濾波器只有 1” x 1” x 0.2” 大小。細(xì)小體積減少占用電路板的空間，薄身更可讓空氣在組件上面流動(dòng)，幫助散熱。有源濾波器的額定電流 7 A，足夠支持 200 W ATCA? 電路板。

圖4 顯示一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器連上有源濾波器之前與之后的噪聲測試圖。這連接是使用標(biāo)準(zhǔn)的測量技術(shù)，以及合符 CISPR22 的要求。結(jié)果顯示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的總噪聲低于 EN55022 級(jí)別B 準(zhǔn)波峰檢測水平。測試圖證明了有源濾波器有效地濾掉傳導(dǎo)噪聲至低于所需標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 – 一個(gè)DC-DC 轉(zhuǎn)換器連上有源EMI濾波器 (右邊) 與沒有濾波器 (左邊) 的傳導(dǎo)噪聲情況。

多功能輸入濾波模塊

有些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供貨商同樣提供 AC-DC 前端模塊，其中一些 AC-DC 元件附多項(xiàng)功能，如 EMI 濾波。例如，其中一個(gè)濾波及整流模塊便帶 EMI 濾波，自動(dòng)調(diào)節(jié)整流及浪涌電流限制等多項(xiàng)功能，并能符合 Telcordia，F(xiàn)CC，ETSI 及歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì) EMI 的要求。

減少輸出噪聲的 EMI 濾波方案

開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器也在輸出端產(chǎn)生紋波和噪聲。這些輸出噪聲，通常又謂周期性及隨意性的偏差 (PARD)，也就是不論其性質(zhì)或來源；是迭加在 DC 輸出的所有紋波及噪聲成份的總和。開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)出紋波及噪聲的水平在數(shù)十毫伏左右。

有一個(gè)輸出紋波衰減模塊結(jié)合了有源和無源濾波；在負(fù)載達(dá) 20 A 時(shí)可減少輸出紋波至小于 3 mV 峰-峰值。模塊尺寸是 2.8” x 2.4” x 0.5”，可衰減低頻的輸入基頻及諧波至 DC-20 MHz 的頻率范圍，效率達(dá) 93 - 99%。

另外有一款 SiP 封裝、有源濾波的輸出紋波衰減器(圖5)，在 1 kHz 至 500 kHz 范圍減少輸出端的紋波和噪聲 (周期性及隨意性的偏差) (PARD) 30dB 以上。這器件可用于大部份的開關(guān)電源，改善瞬態(tài)反應(yīng)及保證凈潔的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓。透過轉(zhuǎn)換器的遙感功能或調(diào)節(jié)引腳來實(shí)行負(fù)載穩(wěn)壓。假如轉(zhuǎn)換器沒有遙感端或不適合使用時(shí)，調(diào)整功能會(huì)修正轉(zhuǎn)換器的輸出電壓；來補(bǔ)償濾波引至的余量電壓下降。濾波器的余量電壓的設(shè)置大大減少了轉(zhuǎn)換器輸出端所需的電容；提供等同的瞬變性能和減少紋波。

圖5 – 有源濾波的輸出紋波衰減器的正常表現(xiàn)

這元件是針對(duì)測試及量度、負(fù)載點(diǎn)分布電源、要求低噪聲電源的感應(yīng)器，以及醫(yī)療儀器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。