电源转换器的电磁兼容性原理及设计

电源转换器的电磁兼容性原理及设计

EMC（Electromagnetic Compatibility；电磁兼容性）在过去十年间已经成为一个家喻户晓的名词。在90年代中期，欧洲要求降低销售至区内产品的辐射和传导发射水准。此后，许多产品开始在其设计阶段导入EMC测试。而此一趋势一直延续到现今的产品开发中。

　　一个经常被问到的问题是：什么是EMC？其实，EMC是一种元件、产品或系统在预定的电磁环境（存在于电磁干扰EMI）中正常工作的能力，同时自身不会出现退化及成为干扰源。要设计出这样的功能，必须要遵循EMC标准，而这些标准是由IEC和CISPR等团体所制定的。本文将讨论EMC有关辐射和传导，包括共同（common）模式和差分（differential）模式发射的规定，以及探讨如何设计电力线滤波器以降低输入和输出杂讯，最后再提供一些能够降低杂讯的印刷电路板设计技巧。

　　1 EMC规定

　　为了获得可靠的EMC设计，必须对EMC的要求有所了解。这些要求不只是针对模块电源，同时也是针对欧洲和北美共有的系统级标准。

　　IEC（国际电工委员会）负责拟定欧洲规格，而CISPR（国际射频干扰特别委员会）则负责采用CISPR 22进行EMC试验，CISPR 22定义了传导发射的最严格限制。这些限制（传导发射）现由产品标准EN55022(图1)和EN55011(图2)描述出来。图1和图2中的A类和B类要求分别指的是工业标准和国内标准（domestic standard）。根据测试杂讯所用天线的不同，欧洲标准设有两种限制。较高限制是针对准峰值天线，较低限制则是针对一般天线，但两种限制都必须达到，以便让设备可以通过要求。北美使用的FCC标准规格与欧洲的EN要求相似，请参考图2。在测试电源供应时使用了两种欧洲标准：EN55011和EN55022。在北美，辐射EMI通常在30MHz至10GHz 频率范围内测量（根据FCC的规定），而传导EMI一般在几个至30MHz的频率范围内测量（根据FCC的规定）。

　　这里的目的是开发能够满足上述与发射有关的全部或一部份要求的系统，可以是独立的设备，也可以是整合在更大系统中的系统。

　　2共同模式和差分模式杂讯

　　共同模式和差分模式是两种主要的杂讯源。共享模式杂讯来自于共享模式电流。共享模式能量共存于单相系统的两条电源线上，并以相同的方向在所有导线和接地之间以及全部的电源线或导线上传送。由于两根导线同时具有相同的电平，导线之间的设备不会对此产生衰减。

　　来自共享模式电流的共享模式杂讯一直存在于进入设备的缆线上。降低这个电流的方法之一，就是在原始模型上尽早测试缆线（使得设计者可在设计最后交付生产之前进行一切所需的更改），并且是在进行EMC符合性测试（compliance testing）之前。在许多情况下，如果设备不能通过共享模式电流测试，那么也不会通过辐射发射测试。共享模式电流可以简单地透过带高频箝制的电流探针和频谱分析仪来测试。而响应范围高达250MHz的电流探针就已经足够。

　　差分模式杂讯是共享模式杂讯的相反。差分模式杂讯是由电流流过带电或中性导体后从另一个导体折射所产生的。这会在带电和中性导体之间产生杂讯电压。

　　3交流电力线主滤波器

　　是一个说明单相交流电源滤波器的范例。这类型的滤波器常用来降低输入和输出电源的差分模式和共享模式杂讯。

　　4.1 A部分

　　电感器L1/L2和电容器C1组成差分滤波器，以应付所有试图进入电源的杂讯。差分模式杂讯是由电流流过带电或中性导体后从另一个导体折射所产生。L1和C1或L2和C1的组合构成了一个分压器。根据杂讯的频率，电容器C1对信号呈现出较小的阻抗（较大负载），因此降低了电源线上的杂讯。举例来说，在特定频率下，L1的等效阻抗是10K，C1的等效阻抗为1K，则透过滤波器的杂讯是其原始强度的十分之一，或降低了20dB的杂讯。

　　4.2 B部分

　　电容器C2和C3构成具有接地参考的共享模式滤波器。在电流与带电和中性导体中的电流同相并经由安全的接地回来时，共同模式杂讯变得明显。这会在带电/中性导体和接地之间产生杂讯电压。C2、C3、C4和C5全部相等，这些线路上的所有共享模式杂讯将被分流至接地。需注意的是，由于有漏电流，B部分不可用于医疗设备。

　　4.3 C部分

　　不带参考的Zorro电感器（共享模式扼流圈）。选择每个绕组的方向以产生相反的电流，能够消除所有杂讯。由共享模式电流引起的磁通量会聚集，并产生阻抗，因此能减少电源线上的杂讯。由于差分模式的电流以不同方向流动，差分模式电流产生的磁通量会相互抵消，所以不会产生阻抗，也不能降低差分模式杂讯。

　　电容器C1和C16是X类电容器，用以降低差分杂讯，需要能承受电源电压。X类电容器通常在0.01uF至2uF的范围。电容器C2至C5是针对共享模式杂讯的Y类电容器，需要能够保证不会在短路时失效（比X类电容昂贵）。Y类电容器容量值较小，通常在0.002uF至0.1uF之间。

　　5降低电源转换器内部和外部杂讯的设计指南

　　AC至DC电源供应器有三个产生杂讯的领域：

　　(1)已经存在于AC电源的杂讯进入电源装置（共同模式/差分模式）；

　　(2)电源供应的开关频率引起的（共同模式）；

　　(3)当MOSFET关断时产生的快速切换边缘和由此引起的振铃ringing（共同模式）。

　　5.1 AC电源

　　若有杂讯电力主线，则可使用交流（AC）电力线滤波器。在使用交流（AC）电力线滤波器时，应确保将其安装在尽量接近AC电力线进入电路板（PCB）的位置，。滤波器的接地连接也应尽可能的短，以便与电源初级的接地板连接。

　　为了降低来自进入和离开设备的共享模式和差分模式杂讯，应使用交流 （AC） 电力线滤波器。见交流 （AC） 电力线主滤波器部分。