用于DC-DC转换器的MIL-SPEC COTS EMC输入滤波器

用于DC-DC转换器的MIL-SPEC COTS EMC输入滤波器

DC-DC转换器的开关动作可能会引起不良的共模和差模噪声，在频谱的许多点上创建不可接受的干扰。前端(或电力线)滤波器旨在在DC-DC转换器之前使用，以减轻电磁干扰(EMI)。这些可定制或现成购买的前端滤波器可实现与供应商的开关电源(SMPS)或DC-DC转换器设计符合电磁兼容(EMC)监管标准，例如FCC、ETSI、CISPR、MIL-SPEC等。

这些现成货的前端滤波器是基于电源转换设备的电磁特征进行定制设计的。然而，还必须考虑其他电气(例如电压尖峰、纹波)、机械(例如振动、冲击)和环境(例如高海拔)设计限制，以满足军用设备的需求。本文讨论了前端滤波器的设计考虑因素和军用设备DC电源模块的测试要求。

什么是前端滤波器?

这个输入滤波器的设计对于符合电磁兼容(EMC)标准和目标至关重要。前端或输入滤波器用于多种目的:

抑制可能进入电源第一阶段的噪声和突波，

降低基频(即开关频率)及其谐波的发射噪声

开关电源在电子设备中的使用越来越普遍，带有丰富的频谱内容，可能通过物理接触传导到电路的其他部分，并干扰附近敏感电路。随着开关速度的提高，噪声成为一个越来越大的问题，特别是当快速开关的晶体管会引起电流流动的中断时(导致电压尖峰和高频噪声)。这些电流中断可以在降压变换器的输入端，升压变换器的输出端，以及反激和降升压变换器的输入和输出端找到。

各种电压调节器的噪声源

DC/DC降压变换器的输入端具有快速开关器件的快速开启和关闭，导致电容器上的电流出现锐利的上升和下降沿(高di/dt)的间断电流。这将导致基频和几个谐波(通常是低阶谐波)不符合标准。在连续导电模式(CCM)下运行的升压变换器将在其输出端经历EMI，原因是需要快速反向恢复二极管，虽然大大降低了功率损失，但电流变化(di/dt)更加激进，增加了EMI。在不连续导电模式(DCM)下，主要电流纹波更大。纹波将创建一个变化的信号，通过共同接触的导体传导到系统的其他部分。

EMI: 辐射和传导的发射

通常，传导的发射与30MHz以下的频率相关，而辐射的发射通常落在30MHz以上的频率范围内(通常是50到300MHz)。然而，传导和辐射的发射仍有重叠。在开关电源中，电压突波(高dV/dt)通常是辐射噪声的来源。如前所述，传导EMI通常源自间断电流(高di/dt)，可以分解为共模(CM)和差模(DM)噪声。

差模和共模噪声

DM电流通常由di/dt主导，将在电源线和回路之间流动;DM噪声主导较低频率。通常很难改变di/dt的行为，而不会从根本上改变电路。通过使用被动低通EMI滤波器(例如R-C阻尼器、L-C、Pi节、T节等)来抑制间断电流引起的振荡，可以降低di/dt。

CM电流通常是dV/dt的函数，将在每个电源线和地面之间流动。当CM电流耦合到长导体或电缆中时，电缆可以作为天线，使CM噪声在高频率下更为突出。根据电缆长度和导体之间的距离以及参考地面平面，意外回路的环路面积可能非常大。有效的布局设计可以大大抑制CM，例如将导体移动到参考地面平面更近的位置，谨慎部署安全电容器，屏蔽连接的电缆束，或在CM电流路径中放置CM电感线圈。CM电感线圈还提供了一个高阻抗串联路径，允许CM电流通过Y电容器形成EMI地面的分流路径流出转换器。

DM和CM都将对EMI做出贡献，往往需要在设计EMI滤波器之前量化DM和CM噪声成分以符合行业EMC标准。输入EMI通常使用线路阻抗稳定网络(LISN)在待测设备(DUT)的输入端以及频谱分析仪进行量化。

前端滤波器的设计考虑因素

通常，被动EMI滤波是噪声抑制的最常见方法;然而，当滤波器以不同的负载阻抗和SMPS的不同噪声源终止时，这可能会证明困难。这些滤波器通常是各种排列的电阻、电容和电感器。基本分量和前几个谐波的大小最大，并将对整体噪声产生最大的贡献，而高阶谐波的振幅在频率增加时会逐渐减小。滤波器抑制这些噪声成分的能力也随着频率的升高而增加，因此，在基频和低阶谐波处减轻噪声是一个突出的设计挑战。

通常，大型被动滤波器可以减轻低频发射;但是，由于其寄生性质(例如电容的等效串联电阻和电感以及电感的并联电容)，高频发射可能需要额外的设计考虑。其他EMI滤波技术通常涉及主动元件:其中一种技术是使用扩频或抖动来调制电源的开关频率，以减少在频率域中发现的基频和低阶谐波的峰值。最终，采用的技术取决于SMPS的独特噪声特征以及设计成本、大小和监管限制。

除了符合EMC监管标准外，EMI滤波器还可以包含抑制从负载反射到SMPS输入电源的高电流瞬变的能力。每个SMPS的预测瞬变特性将有所不同，因此通常需要自定义设计以充分抑制突波。这对于MIL-SPEC电源电子设备来说无疑是一个额外的设计考虑因素。军用设备将有一系列电气、机械和环境设计考虑因素，这些考虑因素会使制造商从基础开始仔细设计电源电子设备--必须满足材料筛选和电气、机械和恶劣环境性能要求。

电源的常见军用标准

MIL-STD-461为电气设备设置了传导和辐射发射限制，指导正确测量EMI。如果SMPS超出这些限制--它经常会--它将需要EMI滤波器将其“带回规格”。但是，选择任何现成的EMI滤波器并不一定会导致电源突然符合标准要求;该设备可能会非常嘈杂，以至于将任何EMI滤波器附加到输入端仍然会导致该部件失败。MIL-STD-461的各种要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的电子设备通常会列出满足特定CE、CS和RE要求的详细信息。

EMI不是关于电子设备的正确性、可靠性和安全性的唯一考虑因素。电源还必须能够在各种电压条件下运行，包括反向极性、电压尖峰和电压突波。MIL-STD-1275E标准提供了要应用于28V电气电源系统输入的测试条件，以及预期的该设备的性能参数。这些系统预期将用于军用地面车辆、民用越野车辆以及军用和民用重型设备。

其他军用标准--例如MIL-STD 704F关于飞机电力特性和DO-160G关于机载设备的标准--将规定环境条件和测试程序，以充分模拟各种电压条件。MIL-STD-810标准包括设备将经历机械冲击、振动和高海拔的测试条件和要求。这也可能是确保供应在恶劣环境中的长寿命和可靠性的必要考虑因素。军用车辆和空中系统中运行的电源将可能需要满足MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F、MIL-STD-461和MIL-STD-810的各个方面，以被认为适用于使用。P-Duke提供了一系列MCF军规前端滤波器，可与选择的DC/DC转换器匹配，以满足所有这些规格要求。

P-DUKE MCF系列

MCF系列提供EMI滤波和瞬态保护，以符合MIL-STD-461G标准中的传导发射、传导感受和辐射发射要求，众多军事标准中的浪涌/尖峰要求，以及MIL-STD-810(表2)中的高度/冲击/振动要求。

该系列具有主动输入过压保护功能，可将最高持续时间为50ms的过压限制在40V以下，吸收+/-250V的尖峰电压，并配备内部保护电路(图1)。

如图2所示，该系列包括其他主动保护功能，例如远程开/关控制、过载保护、输出短路保护、反极性保护、开机电流限制等。

在图3中可以看到EMI性能得到了显著改善。在应用MCF滤波器之前和之后测试了200W HAE200 DC/DC转换器的EMI性能。这大大降低了定制EMI滤波器和外围电路的成本和设计工作量。MCF前端滤波器的额定功率高达250W，可用于广泛的军用设备。

MCF滤波器可簡化集成到军用系统中

EMI滤波器不能仅仅是随意选择，以使电源符合标准，设计这些滤波器的过程可能非常复杂，非重复工程费用(NRE)很高。这在军用设备中尤为如此，军用车辆和飞机中的机载子系统由24V电池或28V发电机供电，对多个方面有严格要求，COTS设备和定制解决方案可能不可行。P-DUKE提供15W到250W的DC-DC转换器，与相关的MCF前端滤波器配对，可满足军事要求的EMC和浪涌抑制。

审核编辑：汤梓红