電源模塊的EMI降低解決方案

DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種很好的高頻噪聲源。設(shè)計(jì)人員必須采取謹(jǐn)慎措施，盡量減少并控制轉(zhuǎn)換器附近和周圍的噪聲，以防止其影響其他系統(tǒng)組件或交流電源。我們不希望我們的產(chǎn)品從測(cè)試中回來(lái)并發(fā)現(xiàn)我們的電磁干擾(EMI)或傳導(dǎo)發(fā)射(CE)檢測(cè)失敗。更重要的是，我們不希望這些噪聲源降低我們的產(chǎn)品性能，因此我們需要了解這種噪聲的機(jī)制以及如何將其降至最低。

輻射發(fā)射(RE)或電磁干擾EMI)

許多模塊都具有五面屏蔽，有效地包含相鄰組件的輻射發(fā)射。通常，面向印刷電路板(PC)的第六側(cè)未被屏蔽，但建議將接地平面放置在轉(zhuǎn)換器下方并連接到殼體上。這種方法是控制轉(zhuǎn)換器發(fā)出的EMI的最佳方法。例如，Power-One電源采用金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，公司為其CPA和CPS系列板外模塊化電源解決方案提供CE和RE數(shù)據(jù)表曲線。

基極電鍍轉(zhuǎn)換器可提供更好的近場(chǎng)B場(chǎng)輻射保護(hù)。在大多數(shù)頻率下，基座電鍍轉(zhuǎn)換器比開(kāi)放式框架設(shè)計(jì)安靜約10 dB/μM。

模塊化電源產(chǎn)品通常設(shè)計(jì)用于通過(guò)ComitéInternationaleSpécialdesPerturbations Radioelectrotechnique(國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)，或CISPR)和聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)標(biāo)準(zhǔn)。 CISPR標(biāo)準(zhǔn)通常僅涉及電磁兼容性(EMC)發(fā)射測(cè)試方法和限制。

最小化EMI的基本指導(dǎo)原則如下：

保持電流回路較小(圖1)。導(dǎo)體通過(guò)感應(yīng)和輻射耦合能量的能力通過(guò)較小的環(huán)路降低，環(huán)路起到天線的作用。

對(duì)于成對(duì)的銅印刷電路板(PC)，使用寬(低阻抗)

在干擾源處定位濾波器，基本上盡可能靠近電源模塊。

應(yīng)選擇濾波器元件值，并考慮到所需的衰減頻率范圍。例如，電容器在某個(gè)頻率下是自諧振的，超過(guò)該頻率它們看起來(lái)是電感性的。使旁路電容引線盡可能短。

在考慮到噪聲源與潛在易受影響電路的接近程度時(shí)，在PC板上找到元件。

圖1：避免大環(huán)路將最大限度地降低EMI或RE。 (由Lineage Power提供)

對(duì)于所有應(yīng)用程序，沒(méi)有一種完美的EMI策略，但事先的一些基本思想可以使任務(wù)變得更加容易。第一步是確保組件的位置最小化噪音。例如，去耦電容應(yīng)盡可能靠近轉(zhuǎn)換器，尤其是X和Y電容。使用接地層來(lái)最小化輻射耦合，最小化敏感節(jié)點(diǎn)的橫截面積，并最小化可能輻射的高電流節(jié)點(diǎn)的橫截面積，例如來(lái)自共模電容器的橫截面積。

EMI組件的位置至關(guān)重要;避免將轉(zhuǎn)換器放在靠近濾波器的位置，以避免噪聲耦合回濾波器。請(qǐng)記住，您不僅要過(guò)濾電源，還要過(guò)濾轉(zhuǎn)換器正在供電的所有電路。今天的大多數(shù)通信機(jī)柜在卡級(jí)別使用盡可能多的本地過(guò)濾，然后在電源輸入模塊上使用另一個(gè)過(guò)濾器，供電將進(jìn)入您的機(jī)柜。

CUI Inc.擁有其V-Infinity電源模塊系列和該系列的優(yōu)秀白皮書(shū)，用于電源模塊中的EMC考慮。

表面貼裝模塊與通孔模塊的比較

表面貼裝器件(SMD)在處理射頻能量方面比含鉛器件更好，因?yàn)樗梢詼p少電感和更緊密的元件放置。由于SMD的物理尺寸減小，后者是可能的。這對(duì)于雙層電路板設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗枰肼暱刂圃淖畲笮?。通常，引線電容器在約80MHz時(shí)變?yōu)樽灾C振(比電容變得更具電感性)。由于需要控制80 MHz以上的噪聲，因此如果僅使用通孔元件執(zhí)行設(shè)計(jì)，則應(yīng)該提出嚴(yán)肅的問(wèn)題。

傳導(dǎo)發(fā)射(CE)

DC/DC轉(zhuǎn)換器中的快速電壓和電流變化將導(dǎo)致模塊化設(shè)備輸入端的傳導(dǎo)噪聲。邏輯負(fù)載的快速上升時(shí)間和下降時(shí)間將產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲，這些噪聲也會(huì)反射回輸入。傳導(dǎo)噪聲會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，如果沒(méi)有正確配置電路，會(huì)產(chǎn)生噪聲。通常良好的布局和濾波器設(shè)計(jì)將最小化這種影響。

為了最好地理解CE的，發(fā)射被分類為差分(對(duì)稱)或共同(非對(duì)稱)模式噪聲。共模(CM)和差模(DM)電壓和電流的定義如圖2所示。

圖2：差模和共模電流和電壓的定義。

EMI降低解決方案

一個(gè)答案是使用預(yù)先測(cè)試的解決方案，例如凌力爾特公司的μModule穩(wěn)壓器，旨在通過(guò)在源頭衰減傳導(dǎo)和輻射能量，讓設(shè)計(jì)人員高枕無(wú)憂： DC/DC穩(wěn)壓器電路。

最小化CE的另一種方法是使模塊的電壓路徑相鄰并相互平行(對(duì)稱性始終是CE和EMI降低的良好形式)，其下方有一個(gè)接地層。多條路徑也可以堆疊在一起。這類似于以雙絞線配置運(yùn)行兩條線，最適合消除共模噪聲。避免電路路徑在大環(huán)路中運(yùn)行，這將充當(dāng)天線。保持靠近電源導(dǎo)線，這將最大限度地減少環(huán)路面積并保持RE下降。

也可能需要外部輸入和/或輸出濾波器。如果是這樣，那么必須非常小心以避免濾波器的雜散電感和/或電容產(chǎn)生不良影響，這可能導(dǎo)致整個(gè)車載電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定或性能下降。¹

設(shè)計(jì)師必須保持注意輸入濾波器和電源模塊之間的阻抗不匹配(圖3)。

圖3：正確的阻抗匹配可防止不良影響。 (由Lineage Power提供)

DC/DC電源模塊的輸入是低頻時(shí)的恒定功率。隨著電壓降低，電流增加。這將在輸入源處呈現(xiàn)負(fù)阻抗。當(dāng)輸入濾波器的阻抗和功率模塊阻抗的組合變?yōu)樨?fù)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將振蕩，從而導(dǎo)致不匹配。防止這種情況的一種方法是確保濾波器的輸出阻抗遠(yuǎn)小于所有頻率下功率模塊的輸入阻抗。圖4顯示了輸入濾波器輸出和功率模塊輸入的阻抗與頻率的關(guān)系圖。

圖4：輸入濾波器/電源模塊的穩(wěn)定性圖。 (由Lineage Power提供)

輸入濾波器的輸出顯示在下圖中。在每次坡度變化時(shí)，記錄有助于該變化的組分。濾波器的諧振頻率顯示為ωf。其峰值與濾波器阻尼比成正比。因此，如果其最大阻抗接近功率模塊阻抗，則欠阻尼濾波器最有可能引起振蕩。

上面的曲線繪制了功率模塊的輸入阻抗。轉(zhuǎn)換器輸出濾波器的諧振頻率顯示為ωo。任何外部輸出濾波器都會(huì)改變這一點(diǎn)。

穩(wěn)健而穩(wěn)定的設(shè)計(jì)組合將是設(shè)計(jì)濾波器，使其峰值輸出阻抗(濾波器的諧振頻率)比功率模塊輸入阻抗(功率的諧振頻率)下降低十倍或更多模塊的輸出濾波器與任何外部輸出濾波器相結(jié)合)。設(shè)計(jì)濾波器的最小阻尼系數(shù)為0.707也是明智的。

X和Y電容器

X電容器連接在線路相位之間，可有效抵抗對(duì)稱干擾(差分模式)。

Y電容器是EMI電容器，它們從輸入電源饋送到機(jī)殼接地，可有效抵抗非對(duì)稱干擾(共模)。有時(shí)它們也從每個(gè)轉(zhuǎn)換器的電源輸出端子連接到底盤(pán)接地。典型的濾波器設(shè)計(jì)使用2，700 pF Y電容。額定電壓取決于-48 Vdc電源的絕緣和隔離安全等級(jí)。如果您不確定這些屬性，請(qǐng)使用額定電壓為2，000 V的電容器。如果-48 V是加強(qiáng)絕緣方案，則100 V額定電容器就足夠了。 X和Y電容的EMI抑制示例如圖5所示。

圖5：使用X和Y電容器的EMI共模和差模抑制示例。 (由愛(ài)普科斯(EPCOS Inc.)提供)

愛(ài)普科斯(EPCOS)擁有一系列EMI抑制電容器，采用該公司的B3293X系列。

同步

同步電源模塊的好處是可以消除兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備在彼此接近的頻率下工作所產(chǎn)生的拍頻。如果我們能夠以相同的頻率運(yùn)行多個(gè)電源模塊，則產(chǎn)生的任何EMC輻射都將具有相似的頻譜密度，從而更容易濾除該特定頻率。當(dāng)然，電源模塊必須有一個(gè)SYNCH引腳才能應(yīng)用外部頻率。某些模塊可以訪問(wèn)內(nèi)部振蕩器，然后該振蕩器可用于驅(qū)動(dòng)主/從配置中的其他模塊的SYNCH引腳。

物理定位

有時(shí)，將電源模塊和/或其他磁性元件旋轉(zhuǎn)90°(例如變壓器和電感器)可以改善電源設(shè)計(jì)的EMI性能。即使是微妙的設(shè)計(jì)變化也會(huì)導(dǎo)致電源的EMI高于必要的EMI。設(shè)計(jì)人員需要了解噪聲源自何處，以及如何將噪聲降低到可接受的特定系統(tǒng)。本文提供了一些經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，可以在麻煩的EMI中實(shí)現(xiàn)一階改進(jìn)，這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)永遠(yuǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)。