電源轉(zhuǎn)換器的電磁兼容性原理及設(shè)計(jì)

EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁兼容性）在過去十年間已經(jīng)成為一個(gè)家喻戶曉的名詞。在90年代中期，歐洲要求降低銷售至區(qū)內(nèi)產(chǎn)品的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射水準(zhǔn)。此后，許多產(chǎn)品開始在其設(shè)計(jì)階段導(dǎo)入EMC測試。而此一趨勢一直延續(xù)到現(xiàn)今的產(chǎn)品開發(fā)中。

　　一個(gè)經(jīng)常被問到的問題是：什么是EMC？其實(shí)，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(shí)自身不會(huì)出現(xiàn)退化及成為干擾源。要設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)技巧。

　　1 EMC規(guī)定

　　為了獲得可靠的EMC設(shè)計(jì)，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(shí)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(huì)）負(fù)責(zé)擬定歐洲規(guī)格，而CISPR（國際射頻干擾特別委員會(huì)）則負(fù)責(zé)采用CISPR 22進(jìn)行EMC試驗(yàn)，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(shí)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(gè)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(dú)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(shí)具有相同的電平，導(dǎo)線之間的設(shè)備不會(huì)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(gè)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(jì)者可在設(shè)計(jì)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(huì)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(gè)導(dǎo)體折射所產(chǎn)生的。這會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，共同模式雜訊變得明顯。這會(huì)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(gè)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(huì)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(dòng)，差分模式電流產(chǎn)生的磁通量會(huì)相互抵消，所以不會(huì)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(huì)在短路時(shí)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(jì)指南

　　AC至DC電源供應(yīng)器有三個(gè)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(shí)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(shí)，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。