用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的MIL-SPEC COTS EMC輸入濾波器

DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可能會(huì)引起不良的共模和差模噪聲，在頻譜的許多點(diǎn)上創(chuàng)建不可接受的干擾。前端（或電力線）濾波器旨在在DC-DC轉(zhuǎn)換器之前使用，以減輕電磁干擾(EMI)。這些可定制或現(xiàn)成購(gòu)買的前端濾波器可實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)商的開(kāi)關(guān)電源(SMPS)或DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)符合電磁兼容(EMC)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，例如FCC、ETSI、CISPR、MIL-SPEC等。

這些現(xiàn)成貨的前端濾波器是基于電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的電磁特征進(jìn)行定制設(shè)計(jì)的。然而，還必須考慮其他電氣(例如電壓尖峰、紋波)、機(jī)械(例如振動(dòng)、沖擊)和環(huán)境(例如高海拔)設(shè)計(jì)限制，以滿足軍用設(shè)備的需求。本文討論了前端濾波器的設(shè)計(jì)考慮因素和軍用設(shè)備DC電源模塊的測(cè)試要求。

什么是前端濾波器？

這個(gè)輸入濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)于符合電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)至關(guān)重要。前端或輸入濾波器用于多種目的:

■抑制可能進(jìn)入電源第一階段的噪聲和突波，

■降低基頻(即開(kāi)關(guān)頻率)及其諧波的發(fā)射噪聲

開(kāi)關(guān)電源在電子設(shè)備中的使用越來(lái)越普遍，帶有豐富的頻譜內(nèi)容，可能通過(guò)物理接觸傳導(dǎo)到電路的其他部分，并干擾附近敏感電路。隨著開(kāi)關(guān)速度的提高，噪聲成為一個(gè)越來(lái)越大的問(wèn)題，特別是當(dāng)快速開(kāi)關(guān)的晶體管會(huì)引起電流流動(dòng)的中斷時(shí)(導(dǎo)致電壓尖峰和高頻噪聲)。這些電流中斷可以在降壓變換器的輸入端，升壓變換器的輸出端，以及反激和降升壓變換器的輸入和輸出端找到。

各種電壓調(diào)節(jié)器的噪聲源

DC/DC降壓變換器的輸入端具有快速開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)啟和關(guān)閉，導(dǎo)致電容器上的電流出現(xiàn)銳利的上升和下降沿(高di/dt)的間斷電流。這將導(dǎo)致基頻和幾個(gè)諧波(通常是低階諧波)不符合標(biāo)準(zhǔn)。在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下運(yùn)行的升壓變換器將在其輸出端經(jīng)歷EMI，原因是需要快速反向恢復(fù)二極管，雖然大大降低了功率損失，但電流變化(di/dt)更加激進(jìn)，增加了EMI。在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)下，主要電流紋波更大。紋波將創(chuàng)建一個(gè)變化的信號(hào)，通過(guò)共同接觸的導(dǎo)體傳導(dǎo)到系統(tǒng)的其他部分。

EMI: 輻射和傳導(dǎo)的發(fā)射

通常，傳導(dǎo)的發(fā)射與30MHz以下的頻率相關(guān)，而輻射的發(fā)射通常落在30MHz以上的頻率范圍內(nèi)(通常是50到300MHz)。然而，傳導(dǎo)和輻射的發(fā)射仍有重疊。在開(kāi)關(guān)電源中，電壓突波(高dV/dt)通常是輻射噪聲的來(lái)源。如前所述，傳導(dǎo)EMI通常源自間斷電流(高di/dt)，可以分解為共模(CM)和差模(DM)噪聲。

差模和共模噪聲

DM電流通常由di/dt主導(dǎo)，將在電源線和回路之間流動(dòng)；DM噪聲主導(dǎo)較低頻率。通常很難改變di/dt的行為，而不會(huì)從根本上改變電路。通過(guò)使用被動(dòng)低通EMI濾波器(例如R-C阻尼器、L-C、Pi節(jié)、T節(jié)等)來(lái)抑制間斷電流引起的振蕩，可以降低di/dt。

CM電流通常是dV/dt的函數(shù)，將在每個(gè)電源線和地面之間流動(dòng)。當(dāng)CM電流耦合到長(zhǎng)導(dǎo)體或電纜中時(shí)，電纜可以作為天線，使CM噪聲在高頻率下更為突出。根據(jù)電纜長(zhǎng)度和導(dǎo)體之間的距離以及參考地面平面，意外回路的環(huán)路面積可能非常大。有效的布局設(shè)計(jì)可以大大抑制CM，例如將導(dǎo)體移動(dòng)到參考地面平面更近的位置，謹(jǐn)慎部署安全電容器，屏蔽連接的電纜束，或在CM電流路徑中放置CM電感線圈。CM電感線圈還提供了一個(gè)高阻抗串聯(lián)路徑，允許CM電流通過(guò)Y電容器形成EMI地面的分流路徑流出轉(zhuǎn)換器。

DM和CM都將對(duì)EMI做出貢獻(xiàn)，往往需要在設(shè)計(jì)EMI濾波器之前量化DM和CM噪聲成分以符合行業(yè)EMC標(biāo)準(zhǔn)。輸入EMI通常使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)在待測(cè)設(shè)備(DUT)的輸入端以及頻譜分析儀進(jìn)行量化。

前端濾波器的設(shè)計(jì)考慮因素

通常，被動(dòng)EMI濾波是噪聲抑制的最常見(jiàn)方法；然而，當(dāng)濾波器以不同的負(fù)載阻抗和SMPS的不同噪聲源終止時(shí)，這可能會(huì)證明困難。這些濾波器通常是各種排列的電阻、電容和電感器。基本分量和前幾個(gè)諧波的大小最大，并將對(duì)整體噪聲產(chǎn)生最大的貢獻(xiàn)，而高階諧波的振幅在頻率增加時(shí)會(huì)逐漸減小。濾波器抑制這些噪聲成分的能力也隨著頻率的升高而增加，因此，在基頻和低階諧波處減輕噪聲是一個(gè)突出的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

通常，大型被動(dòng)濾波器可以減輕低頻發(fā)射；但是，由于其寄生性質(zhì)(例如電容的等效串聯(lián)電阻和電感以及電感的并聯(lián)電容)，高頻發(fā)射可能需要額外的設(shè)計(jì)考慮。其他EMI濾波技術(shù)通常涉及主動(dòng)元件:其中一種技術(shù)是使用擴(kuò)頻或抖動(dòng)來(lái)調(diào)制電源的開(kāi)關(guān)頻率，以減少在頻率域中發(fā)現(xiàn)的基頻和低階諧波的峰值。最終，采用的技術(shù)取決于SMPS的獨(dú)特噪聲特征以及設(shè)計(jì)成本、大小和監(jiān)管限制。

除了符合EMC監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)外，EMI濾波器還可以包含抑制從負(fù)載反射到SMPS輸入電源的高電流瞬變的能力。每個(gè)SMPS的預(yù)測(cè)瞬變特性將有所不同，因此通常需要自定義設(shè)計(jì)以充分抑制突波。這對(duì)于MIL-SPEC電源電子設(shè)備來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)額外的設(shè)計(jì)考慮因素。軍用設(shè)備將有一系列電氣、機(jī)械和環(huán)境設(shè)計(jì)考慮因素，這些考慮因素會(huì)使制造商從基礎(chǔ)開(kāi)始仔細(xì)設(shè)計(jì)電源電子設(shè)備--必須滿足材料篩選和電氣、機(jī)械和惡劣環(huán)境性能要求。

電源的常見(jiàn)軍用標(biāo)準(zhǔn)

MIL-STD-461為電氣設(shè)備設(shè)置了傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限制，指導(dǎo)正確測(cè)量EMI。如果SMPS超出這些限制--它經(jīng)常會(huì)--它將需要EMI濾波器將其“帶回規(guī)格”。但是，選擇任何現(xiàn)成的EMI濾波器并不一定會(huì)導(dǎo)致電源突然符合標(biāo)準(zhǔn)要求；該設(shè)備可能會(huì)非常嘈雜，以至于將任何EMI濾波器附加到輸入端仍然會(huì)導(dǎo)致該部件失敗。MIL-STD-461的各種要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的電子設(shè)備通常會(huì)列出滿足特定CE、CS和RE要求的詳細(xì)信息。

EMI不是關(guān)于電子設(shè)備的正確性、可靠性和安全性的唯一考慮因素。電源還必須能夠在各種電壓條件下運(yùn)行，包括反向極性、電壓尖峰和電壓突波。MIL-STD-1275E標(biāo)準(zhǔn)提供了要應(yīng)用于28V電氣電源系統(tǒng)輸入的測(cè)試條件，以及預(yù)期的該設(shè)備的性能參數(shù)。這些系統(tǒng)預(yù)期將用于軍用地面車輛、民用越野車輛以及軍用和民用重型設(shè)備。

其他軍用標(biāo)準(zhǔn)--例如MIL-STD 704F關(guān)于飛機(jī)電力特性和DO-160G關(guān)于機(jī)載設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)--將規(guī)定環(huán)境條件和測(cè)試程序，以充分模擬各種電壓條件。MIL-STD-810標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)備將經(jīng)歷機(jī)械沖擊、振動(dòng)和高海拔的測(cè)試條件和要求。這也可能是確保供應(yīng)在惡劣環(huán)境中的長(zhǎng)壽命和可靠性的必要考慮因素。軍用車輛和空中系統(tǒng)中運(yùn)行的電源將可能需要滿足MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F、MIL-STD-461和MIL-STD-810的各個(gè)方面，以被認(rèn)為適用于使用。P-Duke提供了一系列MCF軍規(guī)前端濾波器，可與選擇的DC/DC轉(zhuǎn)換器匹配，以滿足所有這些規(guī)格要求。

P-DUKE MCF系列

MCF系列提供EMI濾波和瞬態(tài)保護(hù)，以符合MIL-STD-461G標(biāo)準(zhǔn)中的傳導(dǎo)發(fā)射、傳導(dǎo)感受和輻射發(fā)射要求，眾多軍事標(biāo)準(zhǔn)中的浪涌/尖峰要求，以及MIL-STD-810（表2）中的高度/沖擊/振動(dòng)要求。

該系列具有主動(dòng)輸入過(guò)壓保護(hù)功能，可將最高持續(xù)時(shí)間為50ms的過(guò)壓限制在40V以下，吸收+/-250V的尖峰電壓，并配備內(nèi)部保護(hù)電路（圖1）。

如圖2所示，該系列包括其他主動(dòng)保護(hù)功能，例如遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制、過(guò)載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、反極性保護(hù)、開(kāi)機(jī)電流限制等。

在圖3中可以看到EMI性能得到了顯著改善。在應(yīng)用MCF濾波器之前和之后測(cè)試了200W HAE200 DC/DC轉(zhuǎn)換器的EMI性能。這大大降低了定制EMI濾波器和外圍電路的成本和設(shè)計(jì)工作量。MCF前端濾波器的額定功率高達(dá)250W，可用于廣泛的軍用設(shè)備。

MCF濾波器可簡(jiǎn)化集成到軍用系統(tǒng)中

EMI濾波器不能僅僅是隨意選擇，以使電源符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)這些濾波器的過(guò)程可能非常復(fù)雜，非重復(fù)工程費(fèi)用（NRE）很高。這在軍用設(shè)備中尤為如此，軍用車輛和飛機(jī)中的機(jī)載子系統(tǒng)由24V電池或28V發(fā)電機(jī)供電，對(duì)多個(gè)方面有嚴(yán)格要求，COTS設(shè)備和定制解決方案可能不可行。P-DUKE提供15W到250W的DC-DC轉(zhuǎn)換器，與相關(guān)的MCF前端濾波器配對(duì)，可滿足軍事要求的EMC和浪涌抑制。