電源轉(zhuǎn)換器的電磁兼容性

一個經(jīng)常被問到的問題是：什么是EMC？其實，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，同時自身不會出現(xiàn)退化及成為干擾源。要設(shè)計出這樣的功能，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)計技巧。

1 EMC規(guī)定

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

IEC（國際電工委員會）負(fù)責(zé)擬定歐洲規(guī)格，而CISPR（國際射頻干擾特別委員會）則負(fù)責(zé)采用CISPR 22進(jìn)行EMC試驗，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。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)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（domestic standard）。根據(jù)測試雜訊所用天線的不同，歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有兩種限制。較高限制是針對準(zhǔn)峰值天線，較低限制則是針對一般天線，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，請參考圖2。在測試電源供應(yīng)時使用了兩種歐洲標(biāo)準(zhǔn)：EN55011和EN55022。在北美，輻射EMI通常在30MHz至10GHz 頻率范圍內(nèi)測量（根據(jù)FCC的規(guī)定），而傳導(dǎo)EMI一般在幾個至30MHz的頻率范圍內(nèi)測量（根據(jù)FCC的規(guī)定）。

這里的目的是開發(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)線同時具有相同的電平，導(dǎo)線之間的設(shè)備不會對此產(chǎn)生衰減。

來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。降低這個電流的方法之一，就是在原始模型上盡早測試?yán)|線（使得設(shè)計者可在設(shè)計最后交付生產(chǎn)之前進(jìn)行一切所需的更改），并且是在進(jìn)行EMC符合性測試（compliance testing）之前。在許多情況下，如果設(shè)備不能通過共享模式電流測試，那么也不會通過輻射發(fā)射測試。共享模式電流可以簡單地透過帶高頻箝制的電流探針和頻譜分析儀來測試。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帶電或中性導(dǎo)體后從另一個導(dǎo)體折射所產(chǎn)生的。這會在帶電和中性導(dǎo)體之間產(chǎn)生雜訊電壓。

3交流電力線主濾波器

是一個說明單相交流電源濾波器的范例。這類型的濾波器常用來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帶電或中性導(dǎo)體后從另一個導(dǎo)體折射所產(chǎn)生。L1和C1或L2和C1的組合構(gòu)成了一個分壓器。根據(jù)雜訊的頻率，電容器C1對信號呈現(xiàn)出較小的阻抗（較大負(fù)載），因此降低了電源線上的雜訊。舉例來說，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)由安全的接地回來時，共同模式雜訊變得明顯。這會在帶電/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，差分模式電流產(chǎn)生的磁通量會相互抵消，所以不會產(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是針對共享模式雜訊的Y類電容器，需要能夠保證不會在短路時失效（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)計指南

AC至DC電源供應(yīng)器有三個產(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)的開關(guān)頻率引起的（共同模式）；

(3)當(dāng)MOSFET關(guān)斷時產(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，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，以便與電源初級的接地板連接。

為了降低來自進(jìn)入和離開設(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。見交流 （AC） 電力線主濾波器部分。

5.2電源的開關(guān)頻率

與使用系統(tǒng)時鐘的系統(tǒng)一樣，許多電源都采用脈寬調(diào)變（PWM）組件，在一定頻率下工作，用來控制輸出電壓。因此，系統(tǒng)時鐘需要在電路板上小心布局，PWM控制器亦然。

對于使用返馳式、正向或其它拓樸的變壓器設(shè)計，在初級繞組和開關(guān)MOSFET的漏極之間的設(shè)計，讓引線盡可能寬和盡可能短是非常重要的，。這可縮短電感通路并保持振鈴降至最低水準(zhǔn)。最好同時將MOSFET和PWM控制器連至接地板，使接地板上的孔量減至最少（而不要看起來像瑞士乳酪）。電流返回的引線旁邊應(yīng)有與其平行布設(shè)的接地線（如果沒有雜散電容問題），如果雜訊問題依然存在，便除去引線下的接地板，將漏極引線至變壓器的電容減至最小。MOSFET開關(guān)結(jié)構(gòu)已有寄生電容，會在組件和接地之間灌注電流。如果“綠色線條部分”跡線下的接地板沒有去掉，額外的電流便會進(jìn)入接地板，引起更大的共享模式傳導(dǎo)雜訊。

開關(guān)MOSFET的源極必須與電源初級的接地板可靠地連接。因此，要為接地端子制作大焊盤，以便使用適當(dāng)數(shù)量的跨接（取決于吸收電流）與接地板可靠地連接。

5.3 PWM切換邊緣和并發(fā)振鈴

為電阻電容二極管（RCD）電路（R1、C1和D1），具有兩個作用，首先，C1能減慢Q1在關(guān)斷時集電極電壓的上升時間（平滑、減小輻射EMI）；其次，它將輸入電壓維持在2VCC，即不超過開關(guān)MOSFET的擊穿電壓。在C1夠大的情況下，上升的集電極電壓和下降的集電極電流相交于很低的位置，因此能大幅降低晶體管的功耗。

C2和R2的振鈴電路（ringing circuitry）也很重要，用于減小變壓器初級的振鈴，該振鈴是在MOSFET釋放輸入電壓的電源時所引起。

作為第一個試點，以下是確定C2和R2值的一個方法：

(1)確定振鈴波形的頻率并計算周期；

(2)將第一步確定的周期乘以5；

(3)設(shè)定電阻的數(shù)值（通常小于100R）；

(4)使用第二步獲得的數(shù)值除以第三步確定的電阻

使用電阻R2和電容C2網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是降低振鈴，但缺點是透過電容器C2的高頻紋波會以熱方式耗散在電阻R2上。如果降低噪音比效率來得重要，則可采用，否則會降低效率。

6印刷電路板設(shè)計指南

(1)要適當(dāng)?shù)胤胖煤痛_定組件的方向；

(2)如果使用散熱器，務(wù)必將其接地；

(3)可能需要使用組件屏蔽；

(4)共享模式電容器的ESR值要小，并縮短接地的引線長度；

(5)如果在變壓器上跨接緩沖器電路來減慢MOSFET開關(guān)關(guān)斷的上升時間，請記得要縮短漏極和兩個源級變壓器引線端的跡線長度?？赡艿脑?，將緩沖器電路設(shè)在兩個初級引線端之間；

(6)避免在接地板和電源板（如果使用）中使用插槽；

(7)在50MHz以下（要考慮PWM控制器的諧波）傳統(tǒng)的去耦方法是有效的?？稍诳拷麵C電源和接地引線端附近使用一或兩個去耦電容器（一般為0.1或0.01uF）?？紤]在IC和去耦電容之間形成的環(huán)路區(qū)域，并放置電容器將環(huán)狀區(qū)域縮至最?。?/P>

(8)使接地線盡可能的短及厚；

(9)避免跡線上出現(xiàn)尖角；

(10)在需要屏蔽的情況下，盡可能地將所有雜訊組件集中于同一區(qū)域；

(11)如果可以的話，使用多層印刷電路板。

7醫(yī)療設(shè)備的安全性

對于應(yīng)用敏感的設(shè)備如醫(yī)療領(lǐng)域等，共享模式雜訊確實是個問題。假如設(shè)備與病人接觸，系統(tǒng)總體漏電流會被限定為100uA以下，這意味著大多數(shù)電源設(shè)計人員需要將漏電流限制在20至40uA。為了滿足這項嚴(yán)格要求，醫(yī)療設(shè)備不會使用具電容器接地的共享模式濾波器。利用共享模式扼流圈，透過電容器（高頻雜訊被分流到底板地chassis ground而不是信號地）饋送到接地，并增加變壓器或在電源中隔離電源線，可以降低這些共享模式傳導(dǎo)的發(fā)射脈沖。醫(yī)療設(shè)備會使用IEC950/UL1950 II類的安全標(biāo)準(zhǔn)。

8結(jié)論

EMC是當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的考慮因素，其規(guī)則會隨著時間而變得更加嚴(yán)格。記得在發(fā)生切換時，雜訊也會出現(xiàn)，無論是傳導(dǎo)雜訊還是輻射雜訊。本文介紹了能降低雜訊的電路板級技術(shù)。如果需要進(jìn)一步降低雜訊，尤其是在輻射方面，使用導(dǎo)電外殼是不錯的選擇。當(dāng)然，這些方法會增加額外成本。設(shè)計工程師必需評估標(biāo)準(zhǔn)符合性、安全符合性及最終產(chǎn)品的成本。