電源轉換器的電磁兼容性原理及設計

電源轉換器的電磁兼容性原理及設計

EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁兼容性）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。此后，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：什么是EMC？其實，EMC是一種元件、產品或系統在預定的電磁環境（存在于電磁干擾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，最后再提供一些能夠降低雜訊的印刷電路板設計技巧。

　　1 EMC規定

　　為了獲得可靠的EMC設計，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）則負責采用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2。在測試電源供應時使用了兩種歐洲標準：EN55011和EN55022。在北美，輻射EMI通常在30MHz至10GHz 頻率范圍內測量（根據FCC的規定），而傳導EMI一般在幾個至30MHz的頻率范圍內測量（根據FCC的規定）。

　　這里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。

　　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的兩條電源線上，并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。由于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。

　　來自共享模式電流的共享模式雜訊一直存在于進入設備的纜線上。降低這個電流的方法之一，就是在原始模型上盡早測試纜線（使得設計者可在設計最后交付生產之前進行一切所需的更改），并且是在進行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享模式電流測試，那么也不會通過輻射發射測試。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。而響應范圍高達250MHz的電流探針就已經足夠。

　　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體后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。

　　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后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。

　　4.2 B部分

　　電容器C2和C3構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體中的電流同相并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部分不可用于醫療設備。

　　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。

　　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)已經存在于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）。

　　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，應確保將其安裝在盡量接近AC電力線進入電路板（PCB）的位置，。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享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。