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[组图]電源轉換器的電磁相容性            【字体：小 大】
電源轉換器的電磁相容性
作者：Phil Zuk    文章来源：电子技术资源网    点击数：    更新时间：2005-12-18

電源轉換器的電磁相容性
　

Phil Zuk
　

MC是今日系統設計中一個重要的考慮因素，其規則會隨著時間而變得更加嚴格。在發生切換時，雜訊也會出現，無論是傳導雜訊還是輻射雜訊。本文將介紹能降低雜訊的電路板級技術。為了避免增加額外成本，因此設計工程師必需評估標準符合性、安全符合性及最終產品的成本。

EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁相容性）在過去十年間已經成為一個家喻戶曉的名詞。在90年代中期，歐洲要求降低銷售至區內產品的輻射和傳導發射水準。此後，許多產品開始在其設計階段導入EMC測試。而此一趨勢一直延續到現今的產品開發中。
一個經常被問到的問題是：什麼是EMC？其實，EMC是一種元件、產品或系統在預定的電磁環境（存在於電磁干擾EMI）中正常工作的能力，同時自身不會出現退化及成為干擾源。要設計出這樣的功能，必須要遵循EMC標準，而這些標準是由IEC和CISPR等團體所制定的。本文將討論EMC有關輻射和傳導，包括共同（common）模式和差分（differential）模式發射的規定，以及探討如何設計電力線濾波器以降低輸入和輸出雜訊，最後再提供一些能夠降低雜訊的印刷電路板設計技巧。
　

(圖一)　EN55022傳導發射指標
　

EMC規定
為了獲得可靠的EMC設計，必須對EMC的要求有所瞭解。這些要求不只是針對模組電源，同時也是針對歐洲和北美共有的系統級標準。

IEC（國際電工委員會）負責擬定歐洲規格，而CISPR（國際射頻干擾特別委員會）則負責採用CISPR 22進行EMC試驗，CISPR 22定義了傳導發射的最嚴格限制。這些限制（傳導發射）現由產品標準EN55022(圖一)和EN55011(圖二)描述出來。圖一和圖二中的A類和B類要求分別指的是工業標準和國內標準（domestic standard）。根據測試雜訊所用天線的不同，歐洲標準設有兩種限制。較高限制是針對準峰值天線，較低限制則是針對一般天線，但兩種限制都必須達到，以便讓設備可以通過要求。北美使用的FCC標準規格與歐洲的EN要求相似，請參考圖二。在測試電源供應時使用了兩種歐洲標準：EN55011和EN55022。(圖三)和(圖四)分別說明了EN55011和FCC第15部分B節（北美）的輻射水準。

在北美，輻射EMI通常在30MHz至10GHz 頻率範圍內測量（根據FCC的規定），而傳導EMI一般在幾個至30MHz的頻率範圍內測量（根據FCC的規定）。
　

＜圖註:2004年5月23日後，FCC第15部分B節和EN55011將具有相同的傳導水準規格＞
(圖二)　EN55011/FCC第15部分B節傳導發射指標

　

這裡的目的是開發能夠滿足上述與發射有關的全部或一部份要求的系統，可以是獨立的設備，也可以是整合在更大系統中的系統。

 
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。共用模式雜訊(圖五)來自於共用模式電流。共用模式能量共存於單相系統的兩條電源線上，並以相同的方向在所有導線和接地之間以及全部的電源線或導線上傳送。由於兩根導線同時具有相同的電平，導線之間的設備不會對此產生衰減。


(圖三)　EN55011在3公尺範圍內的輻射發射指標
　


來自共用模式電流的共用模式雜訊一直存在於進入設備的纜線上。降低這個電流的方法之一，就是在原始模型上儘早測試纜線（使得設計者可在設計最後交付生產之前進行一切所需的更改），並且是在進行EMC符合性測試（compliance testing）之前。在許多情況下，如果設備不能通過共用模式電流測試，那麼也不會通過輻射發射測試。共用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。而響應範圍高達250MHz的電流探針就已經足夠。

差分模式雜訊(圖六)是共用模式雜訊的相反。差分模式雜訊是由電流流過帶電或中性導體後從另一個導體折射所產生的。這會在帶電和中性導體之間產生雜訊電壓。




(圖四)　FCC第15部分B節的在3公尺範圍內的輻射發射指標
　

 
交流電力線主濾波器
(圖七)是一個說明單相交流電源濾波器的範例。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用模式雜訊。圖七中的濾波器被分成不同的部分，以便更詳細地描述其整體功能。請注意A部分和B部分具有相同的功能，唯一不同的是一個是雜訊進入設備，另一個是雜訊離開設備。



(圖五)　共用模式雜訊
　

 
方塊圖
■A部分
電感器L1/L2和電容器C1組成差分濾波器，以應付所有試圖進入電源的雜訊。差分模式雜訊是由電流流過帶電或中性導體後從另一個導體折射所產生。L1和C1或L2和C1的組合構成了一個分壓器。根據雜訊的頻率，電容器C1對信號呈現出較小的阻抗（較大負載），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度的十分之一，或降低了20dB的雜訊。

■B部分



(圖六)　差分模式雜訊
　


電容器C2和C3構成具有接地參考的共用模式濾波器。在電流與帶電和中性導體中的電流同相並經由安全的接地回來時，共同模式雜訊變得明顯。這會在帶電/中性導體和接地之間產生雜訊電壓。C2、C3、C4和C5全部相等，這些線路上的所有共用模式雜訊將被分流至接地。需注意的是，由於有漏電流，B部分不可用於醫療設備。


■C部分



(圖七)　單相交流線濾波器



圖七的C部分是不帶參考的Zorro電感器（共用模式扼流圈）。選擇每個繞組的方向以產生相反的電流，能夠消除所有雜訊。由共用模式電流引起的磁通量會聚集，並產生阻抗，因此能減少電源線上的雜訊。由於差分模式的電流以不同方向流動，差分模式電流產生的磁通量會相互抵消，所以不會產生阻抗，也不能降低差分模式雜訊。

圖七中，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的範圍。電容器C2至C5是針對共用模式雜訊的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。

 
降低電源轉換器內部和外部雜訊的設計指南
AC至DC電源供應器有三個產生雜訊的領域：
(1)已經存在於AC電源的雜訊進入電源裝置（共同模式/差分模式）；
(2)電源供應的開關頻率引起的（共同模式）；
(3)當MOSFET關斷時產生的快速切換邊緣和由此引起的振鈴ringing（共同模式）。

■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，應確保將其安裝在儘量接近AC電力線進入電路板（PCB）的位置，見(圖八)。濾波器的接地連接也應盡可能的短，以便與電源初級的接地板連接。
為了降低來自進入和離開設備的共用模式和差分模式雜訊，應使用交流 （AC） 電力線濾波器。見交流 （AC） 電力線主濾波器部分。


(圖八)　將共用模式電容器與接地板連接
　


■電源的開關頻率
與使用系統時鐘的系統一樣，許多電源都採用脈寬調變（PWM）元件，在一定頻率下工作，用來控制輸出電壓。因此，系統時鐘需要在電路板上小心佈局，PWM控制器亦然。

對於使用返馳式、正向或其他拓樸的變壓器設計，在初級繞組和開關MOSFET的漏極之間的設計，讓引線盡可能寬和盡可能短是非常重要的，如(圖九)。這可縮短電感通路並保持振鈴降至最低水準。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有與其平行佈設的接地線（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，如(圖十)所示，將漏極引線至變壓器的電容減至最小。MOSFET開關結構已有寄生電容，會在元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，額外的電流便會進入接地板，引起更大的共用模式傳導雜訊。



(圖九)　減小漏極跡線電容
　


開關MOSFET的源極必須與電源初級的接地板可靠地連接。因此，要為接地端子製作大焊盤，以便使用適當數量的跨接（取決於吸收電流）與接地板可靠地連接，見圖十。
　

(圖十)　使用足夠數量的跨接將內部MOSFET的源極與接地板連接

　


■PWM切換邊緣和併發振鈴
(圖十一)為電阻電容二極體（RCD）電路（R1、C1和D1），具有兩個作用，首先，C1能減慢Q1在關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於很低的位置，因此能大幅降低電晶體的功耗。

圖十一中C2和R2的振鈴電路（ringing circuitry）也很重要，用於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，如(圖十二)和(圖十三)所示。


(圖十一)　RCD緩衝器和RC振鈴電路
　



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並計算週期；
(2)將第一步確定的週期乘以5；
(3)設定電阻的數值（通常小於100R）；
(4)使用第二步獲得的數值除以第三步確定的電阻值，計算出電容器的電容值。


(圖十二)　未加振鈴電路的初級電壓波形（C2、R2）
　


使用電阻R2和電容C2網路的優點是降低圖十二中的振鈴，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，則可採用，否則會降低效率。

 
印刷電路板設計指南
(1)要適當地放置和確定元件的方向；
(2)如果使用散熱器，務必將其接地；
(3)可能需要使用元件遮罩；
(4)共用模式電容器的ESR值要小，並縮短接地的引線長度；
(5)如果在變壓器上跨接緩衝器電路來減慢MOSFET開關關斷的上升時間，請記得要縮短漏極和兩個源級變壓器引線端的跡線長度。可能的話，將緩衝器電路設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）傳統的去耦方法是有效的。可在靠近IC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）。考慮在IC和去耦電容之間形成的環路區域，並放置電容器將環狀區域縮至最小；
(8)使接地線盡可能的短及厚；
(9)避免跡線上出現尖角；
(10)在需要遮罩的情況下，盡可能地將所有雜訊元件集中於同一區域；
(11)如果可以的話，使用多層印刷電路板。


(圖十三)　增加振鈴電路的初級電壓波形（C2、R2）
　

 
醫療設備的安全性
對於應用敏感的設備如醫療領域等，共用模式雜訊確實是個問題。假如設備與病人接觸，系統總體漏電流會被限定為100uA以下，這意味著大多數電源設計人員需要將漏電流限制在20至40uA。為了滿足這項嚴格要求，醫療設備不會使用具電容器接地的共用模式濾波器。利用共用模式扼流圈，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，並增加變壓器或在電源中隔離電源線，可以降低這些共用模式傳導的發射脈衝。醫療設備會使用IEC950/UL1950 II類的安全標準。
 
結論
EMC是當今系統設計中一個重要的考慮因素，其規則會隨著時間而變得更加嚴格。記得在發生切換時，雜訊也會出現，無論是傳導雜訊還是輻射雜訊。本文介紹了能降低雜訊的電路板級技術。如果需要進一步降低雜訊，尤其是在輻射方面，使用導電外殼是不錯的選擇。當然，這些方法會增加額外成本。設計工程師必需評估標準符合性、安全符合性及最終產品的成本。
（作者任職於Fairchild快捷半導體；本文原載於零組件雜誌）
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