EMI抑制技术助力 开关电源系统符合法规要求

作者:Don Li CUI首席技术长

本文研究监控电磁干扰(EMI)的原则和规定,以及开关电源产生的噪声类型,并提供减缓EMI的基本指南,包括安装在其他设备中以做为更大系统的一部分,或是做为单独的应用。

开关电源和EMC标准
「开关电源」是一通用的术语,描述带有可将直流电压转换为交流电压的电源,而此处转换后的交流电压还可再进一步处理成为另一个直流电压。

开关电源可以分为交流对直流电源(交流—输入)或直流对直流转换器(直流输入),两者都具有把直流转换为交流的功能,以便改变电压。开关电源因其内在的设计特点,会产生由多频讯号组成的电磁干扰。

直流对交流转换器将输入直流电压转化为可通过变压器升压或降压的交流电压。交流对直流电源还可利用高频电路来转换电压。但是,在任何一种情况中,内部交流电压并不是纯正弦波,而经常是可由傅立叶级数表示的矩形波,由具有谐波相关频率的许多正弦波的代数和(Algebraic Sum)组成。

这些多频讯号是传导发射和辐射发射的来源,会干扰安装电源的设备及附近的频率敏感设备。

电子设备开发须符合各国EMI标准
经由有目的的发射电磁场,电磁谱已经广泛地应用于广播、电讯和数据通讯等领域。为保护电磁谱和确保所搭配的电气电子系统兼容性,监管机构已经制定电子设备中传导和辐射EMI的控制标准。

CISPR 22是欧洲地区其中一个主要的标准规范,获得欧洲共同体中大多数的国家采用,而美国联邦通讯委员会(FCC)是美国的监管机构。FCC的第15部分规则将数字电子设备分为A类(用于商业、工业或营业环境)和B类(用于居住环境)。由于B类设备布置在家庭中其他电子设备附近的可能性更大,因此其发射(Emission)标准更为严格。

CISPR 22法规已与FCC标准相互协调,除少数例外情况,现可对数字的电子设备进行认证。协调化要求传导发射和辐射发射采用同一标准。因为CISPR 22对1GHz以上的频率并未规定限值,所以1GHz以上的测定必须符合FCC规则和限值要求,而FCC第15部分和CISPR 22规定频率的传导/辐射发射限值,彼此仅相差几dB而已。

EMC测试和符合性须遵守ANSI规范
电磁兼容性(EMC)测试和符合性(Compliance)须按照ANSI标准定义的测试程序执行,该标准并不包括与通用或指定产品有关的传导和辐射发射限值。

值得注意的是,测试是针对整个系统,并非仅针对电源模块,即使外部电源做为独立产品符合规定,也需要与整个终端系统一起进行测试。

EMI/EMC基本来源和相关频率
EMI首先可分为瞬态的干扰或连续的干扰。当源发射持续时间短的能量脉冲而不是连续讯号时,便会产生瞬态EMI。源包括开关电气线路,以及静电放电(ESD)、闪电及电力线浪涌。电动机、汽油发电机点火系统及连续数字电路开关可以使得瞬态EMI重复发生。

连续干扰可以根据频带进一步细分,几10Hz至20kHz频率被归为音频,而射频干扰(RFI)发生在20kHz及以上频带。

EMI耦合
耦合通过传导、辐射或感测而产生。传导的EMI发射可高达30MHz。频率低于5MHz以下的电流,大多数是差模(Differential Mode)电流,而高于5MHz的电流通常是共模(Common Mode)电流(图1)。

图1 差模和共模的定义

图1 差模和共模的定义

差模电流是一两线对(Two Wire Pair)上的预期电流,也就是离开线路源端和回到线路返回端的电流。测试人员可以根据相对指定参考点来测量每条线路的噪声,差模电流通过电源线,在开关电源和它的源或负载之间流动,而这些电流与地面无关。

共模电流通过电源线在同一方向进出开关电源,并通过地面回到它的源。在许多情况下,共模噪声是通过电路中的寄生电容来传导的,但也可流经外壳和地面之间的电容。

当源和接收器(受影响设备)作为无线电天线使用时,便会发生辐射耦合。此时,源辐射出的电磁波会穿过开阔空间,在源和受影响设备之间传播,并被受影响设备所接收。

相对传导耦合或辐射耦合来说,电感耦合(电或磁耦合)比较少见,电感耦合会发生在源和接收器之间距离较短之处。

当两个相邻导体间存在变化的电场,导致间隙处电压发生变化,便会发生电感测;而当两个平行导体之间有一变化的磁场,导致沿着接收导体出现电压变化,则会发生磁感测。

一般而言,要清楚明白EMI问题的表征,须要从电学上及功能故障的意义上来了解干扰源和讯号、到达受影响设备的耦合路径及受影响设备的特性。在本质上,由于威胁所导致的风险通常是统计学,因此,威胁表征和标准制定的许多工作,都是建基于将破坏性EMI发生的可能性降低到可以接受的程度,而不是确保消除EMI。

传导EMI
为了有效地让传导发射缓和下来,必须分别解决差模噪声和共模噪声的问题。

在开关电源电力线和返回线之间直接连接旁路电容器的做法,通常可抑制差模噪声(图2)。位于开关电源输入或输出处的电力线可能需要滤波,为实现最佳效果,这些线路上的旁路电容器要放在噪声产生源的末端附近。

图2 差模滤波器示意图

图2 差模滤波器示意图

在噪声产生源的基本开关频率附近,低频差模电流的衰减要求要有较高的旁路电容值,这意味着陶瓷电容器就不适用。22微法拉(μF)以下的陶瓷电容器只适合过滤开关电源的较低电压输出,但不适合那些有100伏特(V)浪涌的电源。此时应采用额定电容和电压较高的电解电容器。

为同时适合衰减较低的基本开关频率及较高谐波频率的差模电流,差模输入滤波器通常是由电解电容器和陶瓷电容器所组成。

增加一个与主电源串联的传感器,与旁路电容器一起形成--单级L-C差模低通滤波器,可以进一步抑制差模电流。
另一方面,在开关电源的每根电力线和地面间连接旁路电容器,便可有效抑制共模传导电流,这些电力线可以位于开关电源的输入或输出处。

藉由增加一对与每个主电源串联的耦合扼流(Choke)传感器,可进一步抑制共模电流(图3)。耦合扼流传感器的高阻抗迫使共模电流流过旁路电容器。

图3 共模滤波器示意图

图3 共模滤波器示意图

RF阻抗及天线环路面积减少可抑制辐射EMI
降低射频(RF)阻抗及减少天线环路面积可以抑制辐射出的EMI(图4)。将电力线和其返回路线所形成的闭合环路面积减到最小,便可达成此一目标。

图4 缩小天线环路面积以降低辐射发射

图4 缩小天线环路面积以降低辐射发射

将印刷电路板迹线的宽度尽可能地变宽,并将它与其返回路线并联连接,便可以将迹线的电感降到最低。同样地,由于线环(Wire Loop)的阻抗与其面积成比例,所以缩小电力线与其返回路线之间的面积,可以进一步降低其阻抗。

在多片印刷电路板内,将相邻印刷电路板层上的电力线与返回路线这两者中的一个放在另一个上方,便可将电力线与返回路线间的面积有效地缩小。缩小电力线及其返回路线间的环路面积,不仅降低RF阻抗,而且由于环路面积越小,产生的电磁场也越低,还会限制天线的有效性。

此外,位于印刷电路板外表面的接地层可显著地抑制辐射EMI,尤其是直接位于噪声产生源下面。

为进一步降低辐射噪声,可以采用金属屏蔽将噪声产生源放在接地的导电外壳内,并通过管线过滤器(In-line Filter)与干净的外部环境介接。共模旁路电容器也需要返回导电外壳上的接地。

系统级EMI减轻技术
虽然大多数的开关电源会设计成独立的模块以满足适用的EMI标准,但是为了满足监管标准的要求,系统本身的设计也要将其所产生的EMI减到最少。在系统设计中要考虑抑制EMI的特定区域,包括讯号线、印刷电路板(PCB)和固态组件。
开关电源因为其固有的设计特性而会产生EMI。国内、外监管机构藉由颁布规则和标准来监管这些发射(Emission)问题,如FCC第15部分规则和CISPR 22标准。

电源模块是一个系统内许多部件中的一个,而对辐射和传导EMI的要求则适用于整个电子系统。由于EMI要求适用于整个系统,所以要花很大的心思在系统设计上,以限制噪声。

文章来源:新通讯 2015 年 6 月号 172 期《 技术前瞻 》

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