資料介紹
幾乎所有的電氣設備中都會發現有開關電源的應用。通常要求開關電源的效率應盡可能高,空載下損耗應控制在毫瓦范圍內。與之相反的要求則是:產品的綜合成本應盡可能低。鑒于符合標準的產品才能進入市場,新技術的市場轉化時間越來越重要。
EMC濾波器通常是產品優化方案中的重要組成部分。正確的EMC濾波器拓撲可以節省產品認證和優化電磁兼容性能的時間。此外,優化的EMC 濾波器可以降低產品的成本和體積。
下面列出的技術文章給出了能深入到EMC 濾波器設計領域的視角。我們將在這里說明為什么考慮濾波器元件的寄生參數是重要的,以及如何利用實用仿真方法加快設計進程。
一個產品的成功與否取決于它占領市場的速度。通常,產品認證是一個耗時的環節。如果產品沒有通過認證,可能需要重新設計整個產品,因而會增加開發成本;產品延期進入市場也會造成更大的損失。
仔細觀察電源的EMC 發射情況,可以發現電磁發射主要有兩種形式:傳導發射,其頻段一般在數kHz 到30MHz 之間;輻射發射,其頻段一般在30MHz 到數GHz。降低傳導發射通常使用EMC 電源濾波器。EMC 電源濾波器(即開關電源中的濾波器)可能會占整個產品的重要部分。而開發階段我們總是缺少時間,這成為開發階段的一種“正常”情況,甚至在產品市場開發之 前,要求完成樣品。
由于缺乏時間,提出的解決方案可能不是最優的。這必然導致濾波器的重新設計,產生不必要的成本——依據這種設計方法,產品的材料成本將高達整個產品價格的 15%。濾波器設計中經常使用的技術,是“試湊”的方法,也就是不停的更換濾波器元件,如電容和電感,將它們焊接在一起,直到測量的干擾在電磁兼容標準限 制內。使用這種方案,設計者通常也無法了解改變這些參數之后會有什么影響。
使用這種方法,最后終可獲得一個解決方案,但它是我們所需要的最佳方案嗎?
干擾類型:共模干擾或差模干擾
要優化EMC 濾波器設計,了解干擾的類型很重要。我們還應該了解在某一頻段內哪一種類型的干擾占主導地位。我們可以將傳導發射分為差模噪聲(DM) 和共模噪聲(CM)。差模噪聲通常在1MHz 以下的低頻段占主導地位。在開關電源中,差模噪聲主要源于直流母線電容的等效串聯電阻(ESR)兩端的壓降。電壓降由紋波電流產生(例如有源功率因數校正 器產生的紋波電流)。共模干擾(CM) 通常在1MHz 到100MHz 之間占主導地位。在這個頻段范圍內,必須要考慮寄生參數和耦合路徑。噪聲類型對于EMC 濾波器的設計會產生重大影響。如果獲知了干擾類型、寄生參數和耦合路徑,我們就可以開始設計濾波器。
電容性的電抗器和電感性的電容器
為了抑制共模干擾和差模干擾,最常見的EMC濾波器結構是LC 型拓撲。正確選擇電感非常重要。須考慮的要點之一就是共模電感(共模扼流圈)的頻率特性。下面我們來設計一個LC 型濾波器。圖1 給出了它的拓撲結構。
圖1 LC型濾波器
圖中的電容Cy 是Y 形聯接的電容。這個電容形成一個返回至共模噪聲源( 開關電源的功率開關管對地) 的低阻抗路徑。L-CMM 是共模電感,共模電感構建了共模電流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流電源線的電容,它與共模電感的漏感一起形成一個差模LC濾波器,用于抑制差模噪聲。接下來的設計中,我們總是基于圖1 所示的基本原理圖來進行討論。
圖2 給出了一個10mH 共模電感的阻抗特性曲線,其中藍色曲線表示10mH 電感的理想特性,紅色則表示實際特性,諧振頻率在200kHz。高于這個頻率時共模電感就表現為電容特性!我們還可發現,共模電感漏感的諧振頻率在 20MHz。如果我們確信1MHz 以上時是共模噪聲起主要作用,我們就應該考慮電感的頻率特性。
圖2 10mH共模電感的阻抗特性
EMC濾波器通常是產品優化方案中的重要組成部分。正確的EMC濾波器拓撲可以節省產品認證和優化電磁兼容性能的時間。此外,優化的EMC 濾波器可以降低產品的成本和體積。
下面列出的技術文章給出了能深入到EMC 濾波器設計領域的視角。我們將在這里說明為什么考慮濾波器元件的寄生參數是重要的,以及如何利用實用仿真方法加快設計進程。
一個產品的成功與否取決于它占領市場的速度。通常,產品認證是一個耗時的環節。如果產品沒有通過認證,可能需要重新設計整個產品,因而會增加開發成本;產品延期進入市場也會造成更大的損失。
仔細觀察電源的EMC 發射情況,可以發現電磁發射主要有兩種形式:傳導發射,其頻段一般在數kHz 到30MHz 之間;輻射發射,其頻段一般在30MHz 到數GHz。降低傳導發射通常使用EMC 電源濾波器。EMC 電源濾波器(即開關電源中的濾波器)可能會占整個產品的重要部分。而開發階段我們總是缺少時間,這成為開發階段的一種“正常”情況,甚至在產品市場開發之 前,要求完成樣品。
由于缺乏時間,提出的解決方案可能不是最優的。這必然導致濾波器的重新設計,產生不必要的成本——依據這種設計方法,產品的材料成本將高達整個產品價格的 15%。濾波器設計中經常使用的技術,是“試湊”的方法,也就是不停的更換濾波器元件,如電容和電感,將它們焊接在一起,直到測量的干擾在電磁兼容標準限 制內。使用這種方案,設計者通常也無法了解改變這些參數之后會有什么影響。
使用這種方法,最后終可獲得一個解決方案,但它是我們所需要的最佳方案嗎?
干擾類型:共模干擾或差模干擾
要優化EMC 濾波器設計,了解干擾的類型很重要。我們還應該了解在某一頻段內哪一種類型的干擾占主導地位。我們可以將傳導發射分為差模噪聲(DM) 和共模噪聲(CM)。差模噪聲通常在1MHz 以下的低頻段占主導地位。在開關電源中,差模噪聲主要源于直流母線電容的等效串聯電阻(ESR)兩端的壓降。電壓降由紋波電流產生(例如有源功率因數校正 器產生的紋波電流)。共模干擾(CM) 通常在1MHz 到100MHz 之間占主導地位。在這個頻段范圍內,必須要考慮寄生參數和耦合路徑。噪聲類型對于EMC 濾波器的設計會產生重大影響。如果獲知了干擾類型、寄生參數和耦合路徑,我們就可以開始設計濾波器。
電容性的電抗器和電感性的電容器
為了抑制共模干擾和差模干擾,最常見的EMC濾波器結構是LC 型拓撲。正確選擇電感非常重要。須考慮的要點之一就是共模電感(共模扼流圈)的頻率特性。下面我們來設計一個LC 型濾波器。圖1 給出了它的拓撲結構。
圖1 LC型濾波器
圖中的電容Cy 是Y 形聯接的電容。這個電容形成一個返回至共模噪聲源( 開關電源的功率開關管對地) 的低阻抗路徑。L-CMM 是共模電感,共模電感構建了共模電流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流電源線的電容,它與共模電感的漏感一起形成一個差模LC濾波器,用于抑制差模噪聲。接下來的設計中,我們總是基于圖1 所示的基本原理圖來進行討論。
圖2 給出了一個10mH 共模電感的阻抗特性曲線,其中藍色曲線表示10mH 電感的理想特性,紅色則表示實際特性,諧振頻率在200kHz。高于這個頻率時共模電感就表現為電容特性!我們還可發現,共模電感漏感的諧振頻率在 20MHz。如果我們確信1MHz 以上時是共模噪聲起主要作用,我們就應該考慮電感的頻率特性。
圖2 10mH共模電感的阻抗特性
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