电源转换器的电磁兼容性
2005-09-28 14:28:31
来源：《国际电子变压器》第10期
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。(图3)和(图4)分别说明了EN55011和FCC第15部分B节（北美）的辐射水准。
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(图5)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(图6)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
(图7)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。图7中的滤波器被分成不同的部分，以便更详细地描述其整体功能。请注意A部分和B部分具有相同的功能，唯一不同的是一个是杂讯进入设备，另一个是杂讯离开设备。
4方块图
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
图7的C部分是不带参考的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。
图7中，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，见(图8)。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。
5.2电源的开关频率
与使用系统时钟的系统一样，许多电源都采用脉宽调变（PWM）组件，在一定频率下工作，用来控制输出电压。因此，系统时钟需要在电路板上小心布局，PWM控制器亦然。
对于使用返驰式、正向或其它拓朴的变压器设计，在初级绕组和开关MOSFET的漏极之间的设计，让引线尽可能宽和尽可能短是非常重要的，如(图9)。这可缩短电感通路并保持振铃降至最低水准。最好同时将MOSFET和PWM控制器连至接地板，使接地板上的孔量减至最少（而不要看起来像瑞士乳酪）。电流返回的引线旁边应有与其平行布设的接地线（如果没有杂散电容问题），如果杂讯问题依然存在，便除去引线下的接地板，如(图10)所示，将漏极引线至变压器的电容减至最小。MOSFET开关结构已有寄生电容，会在组件和接地之间灌注电流。如果“绿色线条部分”迹线下的接地板没有去掉，额外的电流便会进入接地板，引起更大的共享模式传导杂讯。
开关MOSFET的源极必须与电源初级的接地板可靠地连接。因此，要为接地端子制作大焊盘，以便使用适当数量的跨接（取决于吸收电流）与接地板可靠地连接，见图10。
5.3 PWM切换边缘和并发振铃
(图11)为电阻电容二极管（RCD）电路（R1、C1和D1），具有两个作用，首先，C1能减慢Q1在关断时集电极电压的上升时间（平滑、减小辐射EMI）；其次，它将输入电压维持在2VCC，即不超过开关MOSFET的击穿电压。在C1够大的情况下，上升的集电极电压和下降的集电极电流相交于很低的位置，因此能大幅降低晶体管的功耗。
图11中C2和R2的振铃电路（ringing circuitry）也很重要，用于减小变压器初级的振铃，该振铃是在MOSFET释放输入电压的电源时所引起，如(图12)和(图13)所示。
作为第一个试点，以下是确定C2和R2值的一个方法：
(1)确定振铃波形的频率并计算周期；
(2)将第一步确定的周期乘以5；
(3)设定电阻的数值（通常小于100R）；
(4)使用第二步获得的数值除以第三步确定的电阻
使用电阻R2和电容C2网络的优点是降低图12中的振铃，但缺点是透过电容器C2的高频纹波会以热方式耗散在电阻R2上。如果降低噪音比效率来得重要，则可采用，否则会降低效率。
6印刷电路板设计指南
(1)要适当地放置和确定组件的方向；
(2)如果使用散热器，务必将其接地；
(3)可能需要使用组件屏蔽；
(4)共享模式电容器的ESR值要小，并缩短接地的引线长度；
(5)如果在变压器上跨接缓冲器电路来减慢MOSFET开关关断的上升时间，请记得要缩短漏极和两个源级变压器引线端的迹线长度。可能的话，将缓冲器电路设在两个初级引线端之间；
(6)避免在接地板和电源板（如果使用）中使用插槽；
(7)在50MHz以下（要考虑PWM控制器的谐波）传统的去耦方法是有效的。可在靠近IC电源和接地引线端附近使用一或两个去耦电容器（一般为0.1或0.01uF）。考虑在IC和去耦电容之间形成的环路区域，并放置电容器将环状区域缩至最小；
(8)使接地线尽可能的短及厚；
(9)避免迹线上出现尖角；
(10)在需要屏蔽的情况下，尽可能地将所有杂讯组件集中于同一区域；
(11)如果可以的话，使用多层印刷电路板。
7医疗设备的安全性
对于应用敏感的设备如医疗领域等，共享模式杂讯确实是个问题。假如设备与病人接触，系统总体漏电流会被限定为100uA以下，这意味着大多数电源设计人员需要将漏电流限制在20至40uA。为了满足这项严格要求，医疗设备不会使用具电容器接地的共享模式滤波器。利用共享模式扼流圈，透过电容器（高频杂讯被分流到底板地chassis ground而不是信号地）馈送到接地，并增加变压器或在电源中隔离电源线，可以降低这些共享模式传导的发射脉冲。医疗设备会使用IEC950/UL1950 II类的安全标准。
8结论
EMC是当今系统设计中一个重要的考虑因素，其规则会随着时间而变得更加严格。记得在发生切换时，杂讯也会出现，无论是传导杂讯还是辐射杂讯。本文介绍了能降低杂讯的电路板级技术。如果需要进一步降低杂讯，尤其是在辐射方面，使用导电外壳是不错的选择。当然，这些方法会增加额外成本。设计工程师必需评估标准符合性、安全符合性及最终产品的成本。
（本文转载于《零组件杂志》2005年8月第166期）
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。(图3)和(图4)分别说明了EN55011和FCC第15部分B节（北美）的辐射水准。
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(图5)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(图6)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
(图7)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。图7中的滤波器被分成不同的部分，以便更详细地描述其整体功能。请注意A部分和B部分具有相同的功能，唯一不同的是一个是杂讯进入设备，另一个是杂讯离开设备。
4方块图
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
图7的C部分是不带参考的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。
图7中，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，见(图8)。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。
5.2电源的开关频率
与使用系统时钟的系统一样，许多电源都采用脉宽调变（PWM）组件，在一定频率下工作，用来控制输出电压。因此，系统时钟需要在电路板上小心布局，PWM控制器亦然。
对于使用返驰式、正向或其它拓朴的变压器设计，在初级绕组和开关MOSFET的漏极之间的设计，让引线尽可能宽和尽可能短是非常重要的，如(图9)。这可缩短电感通路并保持振铃降至最低水准。最好同时将MOSFET和PWM控制器连至接地板，使接地板上的孔量减至最少（而不要看起来像瑞士乳酪）。电流返回的引线旁边应有与其平行布设的接地线（如果没有杂散电容问题），如果杂讯问题依然存在，便除去引线下的接地板，如(图10)所示，将漏极引线至变压器的电容减至最小。MOSFET开关结构已有寄生电容，会在组件和接地之间灌注电流。如果“绿色线条部分”迹线下的接地板没有去掉，额外的电流便会进入接地板，引起更大的共享模式传导杂讯。
开关MOSFET的源极必须与电源初级的接地板可靠地连接。因此，要为接地端子制作大焊盘，以便使用适当数量的跨接（取决于吸收电流）与接地板可靠地连接，见图10。
5.3 PWM切换边缘和并发振铃
(图11)为电阻电容二极管（RCD）电路（R1、C1和D1），具有两个作用，首先，C1能减慢Q1在关断时集电极电压的上升时间（平滑、减小辐射EMI）；其次，它将输入电压维持在2VCC，即不超过开关MOSFET的击穿电压。在C1够大的情况下，上升的集电极电压和下降的集电极电流相交于很低的位置，因此能大幅降低晶体管的功耗。
图11中C2和R2的振铃电路（ringing circuitry）也很重要，用于减小变压器初级的振铃，该振铃是在MOSFET释放输入电压的电源时所引起，如(图12)和(图13)所示。
作为第一个试点，以下是确定C2和R2值的一个方法：
(1)确定振铃波形的频率并计算周期；
(2)将第一步确定的周期乘以5；
(3)设定电阻的数值（通常小于100R）；
(4)使用第二步获得的数值除以第三步确定的电阻
使用电阻R2和电容C2网络的优点是降低图12中的振铃，但缺点是透过电容器C2的高频纹波会以热方式耗散在电阻R2上。如果降低噪音比效率来得重要，则可采用，否则会降低效率。
6印刷电路板设计指南
(1)要适当地放置和确定组件的方向；
(2)如果使用散热器，务必将其接地；
(3)可能需要使用组件屏蔽；
(4)共享模式电容器的ESR值要小，并缩短接地的引线长度；
(5)如果在变压器上跨接缓冲器电路来减慢MOSFET开关关断的上升时间，请记得要缩短漏极和两个源级变压器引线端的迹线长度。可能的话，将缓冲器电路设在两个初级引线端之间；
(6)避免在接地板和电源板（如果使用）中使用插槽；
(7)在50MHz以下（要考虑PWM控制器的谐波）传统的去耦方法是有效的。可在靠近IC电源和接地引线端附近使用一或两个去耦电容器（一般为0.1或0.01uF）。考虑在IC和去耦电容之间形成的环路区域，并放置电容器将环状区域缩至最小；
(8)使接地线尽可能的短及厚；
(9)避免迹线上出现尖角；
(10)在需要屏蔽的情况下，尽可能地将所有杂讯组件集中于同一区域；
(11)如果可以的话，使用多层印刷电路板。
7医疗设备的安全性
对于应用敏感的设备如医疗领域等，共享模式杂讯确实是个问题。假如设备与病人接触，系统总体漏电流会被限定为100uA以下，这意味着大多数电源设计人员需要将漏电流限制在20至40uA。为了满足这项严格要求，医疗设备不会使用具电容器接地的共享模式滤波器。利用共享模式扼流圈，透过电容器（高频杂讯被分流到底板地chassis ground而不是信号地）馈送到接地，并增加变压器或在电源中隔离电源线，可以降低这些共享模式传导的发射脉冲。医疗设备会使用IEC950/UL1950 II类的安全标准。
8结论
EMC是当今系统设计中一个重要的考虑因素，其规则会随着时间而变得更加严格。记得在发生切换时，杂讯也会出现，无论是传导杂讯还是辐射杂讯。本文介绍了能降低杂讯的电路板级技术。如果需要进一步降低杂讯，尤其是在辐射方面，使用导电外壳是不错的选择。当然，这些方法会增加额外成本。设计工程师必需评估标准符合性、安全符合性及最终产品的成本。
（本文转载于《零组件杂志》2005年8月第166期）
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