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为AC-DC转换器选择模块化EMI滤波器

出处：面包板发布于：2020-04-10 15:08:20

　　模块化 AC 线路滤波器通常出现在终端设备中，无论是安装在机板上还是集成在连接器上，特别是在诸如通讯、医疗保健和工业电子等环境中的应用。滤波器的目的是衰减由电源、内置电子设备、高速数据线等组合而成的设备产生的辐射。

　　内置电源通常自行满足法定辐射标准，通常为 EN 55011/EN 55032，为什么需要额外的滤波器？兼容组件不一定保证兼容系统。如果有多个 AC-DC 转换器，它们的辐射可能会增加。此外，一个 AC-DC 将在 AC 线路阻抗、负载、部件相对于接地平面的方向和位置的特定条件下进行测试，包括设定长度和电缆布线以及被动负载。当安装于设备内时，转换器将不会看到这些相同的条件，辐射可能会更高。连接到终端设备电源插座也可能会接收到其他系统部件的辐射，从而增加传导干扰。

　　EMI 合规性可能需要额外的滤波器

　　典型的解决方案是安装在设备电源插座连接器中或其附近的模块化滤波器。为了获得的性能和成本，从许多可用的滤波器中选择并不是一件容易的事情，因此为了帮助您，让我们参考一个典型的滤波器图列并查看每个组件的功能。（图 1）。

　　图 1：典型的模块化 EMI 滤波电路

　　CX 衰减差模噪声，即从线路到中性点的噪声。它是一个“X”额定电容器，能够承受特定的 AC 线路瞬态，这取决于环境的“过压”等级。根据 EN 60384-14，可提供 X1、X2 或 X3 类型，峰值工作电压额定值分别为 4kV、2.5kV 和 1.2kV。如果电容器因应力短路，有起火的危险，所以元件必须经过安全机构。CX 的电容值可以很高，仅受实际考虑的限制：当 AC 线路被下游电路或 R1 断开时，它必须在规定的时间内放电，以避免在连接器引脚上留下潜在的危险电压。根据通讯的安规标准 EN 62368-1，如果 CX 大于 300nF，两秒钟后，限值小于 60V，对于小于 300nF 的值，允许更高的电压，或在只有经过培训的人员才能进入的环境中。在医疗设施中，根据 EN 60601-1，在 1 秒内限制为 60V，但如果 CX 小于 300nF，则无要求。

　　R1 必须额定为的连续线路 AC 电压，并且根据 EN 62368-1，如果安装在保险丝之前，它还必须承受不超过 10%电阻值偏差的瞬态电压。对于 CX 的较大值，R1 必须是相对较低的电阻，以达到放电时间规范，从而产生显著的连续功耗。当试图达到美国能源部和欧洲企业资源规划指令规定的空载或备用损耗限制时，这可能会有问题。

　　L 是一个“电流补偿”双绕组电感器，它衰减共模噪声，共模噪声通常由高开关频率电压产生，通过内部电源电容将噪声电流驱动至地面，并通过线路和中性点返回。如图所示，正常运行电流产生的磁场抵消，线路和中性点上的“共模”电流一起“看到”高阻抗。这两个电容器会转移电流，使其局部循环，而不是通过 AC 电源。当运行电流场抵消并防止磁芯饱和时，L1 可以是一个高值，但有时故意减小绕组耦合以允许一些漏感，这有助于差模衰减，可能降低 CX 的值。

　　两个电容器 CY 还必须经过安全机构，因为如果其中一个发生短路故障，并且设备接地断开，则设备外壳可以带电。即使没有电容器故障，如果接地连接意外断开，外壳也会有足够的“漏电流”产生冲击，因此根据适用标准，电容值被限制为提供“接触”和“外壳”漏电流。在一些带有硬接线接地的工业区域，限值可能为毫安，在“心脏漂浮”医疗环境中，限值小于 10 微安。电容器也根据 AC 电源等级进行了规定；Y1、Y2、Y3 和 Y4，峰值测试电压高达 8kV。

　　图 1 中的保险丝通常包括在面板安装的模块化滤波器中，例如流行的 IEC320-C14 类型（图 2）。有些标准要求只有线路连接是熔合的，而医疗和通讯上的其他标准则要求线路和中性线都是熔合的。在单次熔断时，如果输入意外反转，则保险丝处于中性点，当中性点和接地共用时，将被旁路，从而使保护依赖于上游保险丝或断路器，这些保险丝或断路器可能与其他设备共用，因此具有高电流跳闸额定值。进入滤波设备的电流可能代表火灾危险。线路和中性点熔断，反向电源现在被覆盖。但是，如果中性点连接中的保险丝因线路对中性点过电流等故障而断开，则设备显然是“死”的，但内部有带电连接。为了解决这个问题，可以使中性点保险丝的值比线路高一步，这样线路保险丝就会首先正常断开。

　　模块化滤波器可采用各种机械形式；机板安装型，通常带有直接固定在接地机板上的六面屏蔽，对于保险丝和插孔连接器的短接线非常有效。带内置滤波器的 IEC 入口连接器是一种常见的选择，可采用螺旋式或卡入式安装，根据应用环境配备一个或两个保险丝。C14 型额定电流为 10A，C20 型额定电流为 20A 及以上。

　　每种类型的版本都不带“Y”电容器，可用于漏电流通常为 5μa 的医疗应用。这可减少共模噪声衰减，例如，级联滤波器可能需要允许共模噪声衰减。

　　负载功率设置滤波器的额定电流，允许的输入电压和负载功率因数。例如，对于功率因数为 0.8、 90VAC，负载为 300W，电流消耗为 300/（0.8 x 90VAC）=4.16A，这表明需要一个 5A 额定滤波器。

　　模块化滤波器已经发布了随频率衰减的图表，可以通过测量性能来选择一种类型，而无需使用滤波器，然后将其从目标中减去，得到所需的滤波器衰减。滤波器的性能数据是在特定的测试条件下得到的，通常有 50 欧姆的电源和负载阻抗，因此实际上衰减取决于终端电路。AC 电源阻抗可以使用线路阻抗稳定网络（LISN）标准化，但负载可能与 50 欧姆非常不同，随频率变化，甚至显示负增量阻抗。另外，与其他串联滤波器共振的危险也会导致意想不到的结果，甚至在特定频率下放大而不是衰减 EMI。

　　作为实验，XP Power 的 PBR500PS12B 型 AC-DC 转换器的 EMI 性能在 230VAC 和 180W 负载下绘制，结果如图 3 所示。根据标准要求，转换器符合 EN55032 曲线 B 级辐射限值，具有良好的裕度，用于准峰值检测。增加了一个额外的滤波器，型号为 XP Power FCSS06SFR，衰减特性如图 4 所示。实线是共模和虚线差模衰减。

　　图 5 给出了对辐射的综合影响图，显示了在大约 1MHz 的情况下，总衰减（单位：dB）是原始的加上滤波器值。但在几个 MHz 以上，衰减比预期的要小。这是由于滤波器在高频时没有“看到”50 欧姆的终端，降低了其衰减效应，并确认了实际测量的必要性，以确认符合辐射限值。