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

更新時間:2024-09-05   點擊次數(shù):331次

DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關動作可能會引起不良的共模和差模噪聲,在頻譜的許多點上創(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)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關動作可能會引起不良的共模和差模噪聲,在頻譜的許多點上創(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)成購買的前端濾波器可實現(xiàn)與供應商的開關電源(SMPS)或DC-DC轉(zhuǎn)換器設計符合電磁兼容(EMC)監(jiān)管標準,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)換設備的電磁特征進行定制設計的。然而,還必須考慮其他電氣(例如電壓尖峰、紋波)、機械(例如振動、沖擊)和環(huán)境(例如高海拔)設計限制,以滿足設備的需求。本文討論了前端濾波器的設計考慮因素和設備DC電源模塊的測試要求。

什么是前端濾波器?

這個輸入濾波器的設計對于符合電磁兼容(EMC)標準和目標至關重要。前端或輸入濾波器用于多種目的:

■抑制可能進入電源第一階段的噪聲和突波,

■降低基頻(即開關頻率)及其諧波的發(fā)射噪聲

開關電源在電子設備中的使用越來越普遍,帶有豐富的頻譜內(nèi)容,可能通過物理接觸傳導到電路的其他部分,并干擾附近敏感電路。隨著開關速度的提高,噪聲成為一個越來越大的問題,特別是當快速開關的晶體管會引起電流流動的中斷時(導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關器件的快速開啟和關閉,導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。這將導致基頻和幾個諧波(通常是低階諧波)不符合標準。在連續(xù)導電模式(CCM)下運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,增加了EMI。在不連續(xù)導電模式(DCM)下,主要電流紋波更大。紋波將創(chuàng)建一個變化的信號,通過共同接觸的導體傳導到系統(tǒng)的其他部分。

EMI: 輻射和傳導的發(fā)射

通常,傳導的發(fā)射與30MHz以下的頻率相關,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,傳導和輻射的發(fā)射仍有重疊。在開關電源中,電壓突波(高dV/dt)通常是輻射噪聲的來源。如前所述,傳導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,將在電源線和回路之間流動;DM噪聲主導較低頻率。通常很難改變di/dt的行為,而不會從根本上改變電路。通過使用被動低通EMI濾波器(例如R-C阻尼器、L-C、Pi節(jié)、T節(jié)等)來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),將在每個電源線和地面之間流動。當CM電流耦合到長導體或電纜中時,電纜可以作為天線,使CM噪聲在高頻率下更為突出。根據(jù)電纜長度和導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。有效的布局設計可以大大抑制CM,例如將導體移動到參考地面平面更近的位置,謹慎部署安全電容器,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高阻抗串聯(lián)路徑,允許CM電流通過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EMI做出貢獻,往往需要在設計EMI濾波器之前量化DM和CM噪聲成分以符合行業(yè)EMC標準。輸入EMI通常使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(LISN)在待測設備(DUT)的輸入端以及頻譜分析儀進行量化。

前端濾波器的設計考慮因素

通常,被動EMI濾波是噪聲抑制的最常見方法;然而,當濾波器以不同的負載阻抗和SMPS的不同噪聲源終止時,這可能會證明困難。這些濾波器通常是各種排列的電阻、電容和電感器?;痉至亢颓皫讉€諧波的大小最大,并將對整體噪聲產(chǎn)生最大的貢獻,而高階諧波的振幅在頻率增加時會逐漸減小。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突出的設計挑戰(zhàn)。

通常,大型被動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計考慮。其他EMI濾波技術通常涉及主動元件:其中一種技術是使用擴頻或抖動來調(diào)制電源的開關頻率,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,采用的技術取決于SMPS的噪聲特征以及設計成本、大小和監(jiān)管限制。

除了符合EMC監(jiān)管標準外,EMI濾波器還可以包含抑制從負載反射到SMPS輸入電源的高電流瞬變的能力。每個SMPS的預測瞬變特性將有所不同,因此通常需要自定義設計以充分抑制突波。這對于MIL-SPEC電源電子設備來說無疑是一個額外的設計考慮因素。設備將有一系列電氣、機械和環(huán)境設計考慮因素,這些考慮因素會使制造商從基礎開始仔細設計電源電子設備--必須滿足材料篩選和電氣、機械和惡劣環(huán)境性能要求。

電源的常見標準

MIL-STD-461為電氣設備設置了傳導和輻射發(fā)射限制,指導正確測量EMI。如果SMPS超出這些限制--它經(jīng)常會--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濾波器并不一定會導致電源突然符合標準要求;該設備可能會非常嘈雜,以至于將任何EMI濾波器附加到輸入端仍然會導致該部件失敗。MIL-STD-461的各種要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的電子設備通常會列出滿足特定CE、CS和RE要求的詳細信息。


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