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电源模块的EMI降低解决方案

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-07 13:39:50 | 246 次阅读

DC/DC转换器是一种很好的高频噪声源。设计人员必须采取谨慎措施,尽量减少并控制转换器附近和周围的噪声,以防止其影响其他系统组件或交流电源。我们不希望我们的产品从测试中回来并发现我们的电磁干扰(EMI)或传导发射(CE)检测失败。更重要的是,我们不希望这些噪声源降低我们的产品性能,因此我们需要了解这种噪声的机制以及如何将其降至最低。

辐射发射(RE)或电磁干扰EMI)

许多模块都具有五面屏蔽,有效地包含相邻组件的辐射发射。通常,面向印刷电路板(PC)的第六侧未被屏蔽,但建议将接地平面放置在转换器下方并连接到壳体上。这种方法是控制转换器发出的EMI的最佳方法。例如,Power-One电源采用金属屏蔽结构,公司为其CPA和CPS系列板外模块化电源解决方案提供CE和RE数据表曲线。

基极电镀转换器可提供更好的近场B场辐射保护。在大多数频率下,基座电镀转换器比开放式框架设计安静约10 dB/μM。

模块化电源产品通常设计用于通过ComitéInternationaleSpécialdesPerturbations Radioelectrotechnique(国际无线电干扰特别委员会,或CISPR)和联邦通信委员会(FCC)标准。 CISPR标准通常仅涉及电磁兼容性(EMC)发射测试方法和限制。

最小化EMI的基本指导原则如下:

保持电流回路较小(图1)。导体通过感应和辐射耦合能量的能力通过较小的环路降低,环路起到天线的作用。

对于成对的铜印刷电路板(PC),使用宽(低阻抗)

在干扰源处定位滤波器,基本上尽可能靠近电源模块

应选择滤波器元件值,并考虑到所需的衰减频率范围。例如,电容器在某个频率下是自谐振的,超过该频率它们看起来是电感性的。使旁路电容引线尽可能短。

在考虑到噪声源与潜在易受影响电路的接近程度时,在PC板上找到元件。

电源模块的EMI降低解决方案

图1:避免大环路将最大限度地降低EMI或RE。 (由Lineage Power提供)

对于所有应用程序,没有一种完美的EMI策略,但事先的一些基本思想可以使任务变得更加容易。第一步是确保组件的位置最小化噪音。例如,去耦电容应尽可能靠近转换器,尤其是X和Y电容。使用接地层来最小化辐射耦合,最小化敏感节点的横截面积,并最小化可能辐射的高电流节点的横截面积,例如来自共模电容器的横截面积。

EMI组件的位置至关重要;避免将转换器放在靠近滤波器的位置,以避免噪声耦合回滤波器。请记住,您不仅要过滤电源,还要过滤转换器正在供电的所有电路。今天的大多数通信机柜在卡级别使用尽可能多的本地过滤,然后在电源输入模块上使用另一个过滤器,供电将进入您的机柜。

CUI Inc.拥有其V-Infinity电源模块系列和该系列的优秀白皮书,用于电源模块中的EMC考虑。

表面贴装模块与通孔模块的比较

表面贴装器件(SMD)在处理射频能量方面比含铅器件更好,因为它可以减少电感和更紧密的元件放置。由于SMD的物理尺寸减小,后者是可能的。这对于双层电路板设计至关重要,因为它需要噪声控制元件的最大效率。通常,引线电容器在约80MHz时变为自谐振(比电容变得更具电感性)。由于需要控制80 MHz以上的噪声,因此如果仅使用通孔元件执行设计,则应该提出严肃的问题。

传导发射(CE)

DC/DC转换器中的快速电压和电流变化将导致模块化设备输入端的传导噪声。逻辑负载的快速上升时间和下降时间将产生传导噪声,这些噪声也会反射回输入。传导噪声会产生电场和磁场,如果没有正确配置电路,会产生噪声。通常良好的布局和滤波器设计将最小化这种影响。

为了最好地理解CE的,发射被分类为差分(对称)或共同(非对称)模式噪声。共模(CM)和差模(DM)电压和电流的定义如图2所示。

电源模块的EMI降低解决方案

图2:差模和共模电流和电压的定义。

EMI降低解决方案

一个答案是使用预先测试的解决方案,例如凌力尔特公司的μModule稳压器,旨在通过在源头衰减传导和辐射能量,让设计人员高枕无忧: DC/DC稳压器电路。

最小化CE的另一种方法是使模块的电压路径相邻并相互平行(对称性始终是CE和EMI降低的良好形式),其下方有一个接地层。多条路径也可以堆叠在一起。这类似于以双绞线配置运行两条线,最适合消除共模噪声。避免电路路径在大环路中运行,这将充当天线。保持靠近电源导线,这将最大限度地减少环路面积并保持RE下降。

也可能需要外部输入和/或输出滤波器。如果是这样,那么必须非常小心以避免滤波器的杂散电感和/或电容产生不良影响,这可能导致整个车载电源系统的不稳定或性能下降。¹

设计师必须保持注意输入滤波器和电源模块之间的阻抗不匹配(图3)。

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图3:正确的阻抗匹配可防止不良影响。 (由Lineage Power提供)

DC/DC电源模块的输入是低频时的恒定功率。随着电压降低,电流增加。这将在输入源处呈现负阻抗。当输入滤波器的阻抗和功率模块阻抗的组合变为负时,转换器将振荡,从而导致不匹配。防止这种情况的一种方法是确保滤波器的输出阻抗远小于所有频率下功率模块的输入阻抗。图4显示了输入滤波器输出和功率模块输入的阻抗与频率的关系图。

电源模块的EMI降低解决方案

图4:输入滤波器/电源模块的稳定性图。 (由Lineage Power提供)

输入滤波器的输出显示在下图中。在每次坡度变化时,记录有助于该变化的组分。滤波器的谐振频率显示为ωf。其峰值与滤波器阻尼比成正比。因此,如果其最大阻抗接近功率模块阻抗,则欠阻尼滤波器最有可能引起振荡。

上面的曲线绘制了功率模块的输入阻抗。转换器输出滤波器的谐振频率显示为ωo。任何外部输出滤波器都会改变这一点。

稳健而稳定的设计组合将是设计滤波器,使其峰值输出阻抗(滤波器的谐振频率)比功率模块输入阻抗(功率的谐振频率)下降低十倍或更多模块的输出滤波器与任何外部输出滤波器相结合)。设计滤波器的最小阻尼系数为0.707也是明智的。

X和Y电容器

X电容器连接在线路相位之间,可有效抵抗对称干扰(差分模式)。

Y电容器是EMI电容器,它们从输入电源馈送到机壳接地,可有效抵抗非对称干扰(共模)。有时它们也从每个转换器的电源输出端子连接到底盘接地。典型的滤波器设计使用2,700 pF Y电容。额定电压取决于-48 Vdc电源的绝缘和隔离安全等级。如果您不确定这些属性,请使用额定电压为2,000 V的电容器。如果-48 V是加强绝缘方案,则100 V额定电容器就足够了。 X和Y电容的EMI抑制示例如图5所示。

电源模块的EMI降低解决方案

图5:使用X和Y电容器的EMI共模和差模抑制示例。 (由爱普科斯(EPCOS Inc.)提供)

爱普科斯(EPCOS)拥有一系列EMI抑制电容器,采用该公司的B3293X系列。

同步

同步电源模块的好处是可以消除两个或多个设备在彼此接近的频率下工作所产生的拍频。如果我们能够以相同的频率运行多个电源模块,则产生的任何EMC辐射都将具有相似的频谱密度,从而更容易滤除该特定频率。当然,电源模块必须有一个SYNCH引脚才能应用外部频率。某些模块可以访问内部振荡器,然后该振荡器可用于驱动主/从配置中的其他模块的SYNCH引脚。

物理定位

有时,将电源模块和/或其他磁性元件旋转90°(例如变压器电感器)可以改善电源设计的EMI性能。即使是微妙的设计变化也会导致电源的EMI高于必要的EMI。设计人员需要了解噪声源自何处,以及如何将噪声降低到可接受的特定系统。本文提供了一些经过验证的技术,可以在麻烦的EMI中实现一阶改进,这对设计人员来说永远是一个挑战。

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