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電源和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電磁兼容性 (EMC) 考慮因素

發(fā)布時(shí)間:2023-11-20 來(lái)源:RECOM 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在新冠肺炎疫情造成停工期間,我的車(chē)閑置了幾個(gè)星期,由于電子設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài),電池最終耗盡,導(dǎo)致汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。我去了一趟配件店,買(mǎi)了一個(gè)新的“智能”充電器,價(jià)格出奇便宜,我將其連接,然后就開(kāi)始等待效果。它確實(shí)起了作用,但也破壞了房子的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。盡管在該設(shè)備上發(fā)現(xiàn)了 CE 標(biāo)志和一系列認(rèn)證印章,但它顯然具有大量的射頻 (RF) 輻射,這是電磁不兼容的典型例子。


無(wú)論問(wèn)題是由輻射還是傳導(dǎo)發(fā)射引起的,充電器都必須符合已發(fā)布的強(qiáng)制性電磁兼容性(EMC) 標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)還包括對(duì)主電源諧波發(fā)射和“閃爍”的限制,以及對(duì)規(guī)定水平的磁場(chǎng)、電場(chǎng)和電磁場(chǎng)的抗擾性;線(xiàn)路浪涌和瞬態(tài);以及靜電放電。全球使用的標(biāo)準(zhǔn)為 IEC 61000 系列。


您應(yīng)該期望看到的濾波


充電器的設(shè)計(jì)者還有什么可以做得更好?首先看傳導(dǎo)發(fā)射,該產(chǎn)品作為開(kāi)關(guān)模式電源,可以產(chǎn)生線(xiàn)對(duì)線(xiàn)差模 (DM) 和線(xiàn)對(duì)地共模 (CM) 噪聲(圖 1)。DM 輸入噪聲通過(guò)線(xiàn)對(duì)線(xiàn)“X”電容器和串聯(lián)電感器衰減,因此,在尺寸和成本限制范圍內(nèi),可以輕松將足夠高的元器件值降至較低水平。設(shè)計(jì)者通常試圖將電容值保持在 100 nF 以下;然而,如上所述,元器件必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放電到安全電壓,從而強(qiáng)制增加并聯(lián)電阻。此外,如果永久留在電路中,電阻器的恒定泄漏電流可能會(huì)使符合待機(jī)和空載損耗標(biāo)準(zhǔn)成為問(wèn)題。盡管電感器的值可以很高,但它們通過(guò)最大交流運(yùn)行電流;因此,為了避免飽和,這些值有時(shí)必須實(shí)際上很高。在這方面,鐵粉或氣隙鐵氧體類(lèi)型就是典型的例子。


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圖 1:AC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入端的差模和共模噪聲


雖然對(duì) DM 噪聲沒(méi)有直接的法定限制,但對(duì) CM 噪聲有限制,并且 CM 的典型測(cè)試方法使用線(xiàn)路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN),符合多媒體設(shè)備的 CISPR 32 等所要求的標(biāo)準(zhǔn)。然而,LISN 也記錄了一半的 DM 噪聲,因此有充分的理由對(duì)其進(jìn)行衰減。來(lái)自線(xiàn)路和中性點(diǎn)接地的 CM 噪聲往往以電流源的形式進(jìn)入 LISN 的低 50 ohm 阻抗,而來(lái)自線(xiàn)路或中性點(diǎn)接地的“Y”型電容器提供了一個(gè)局部回流路徑,因此噪聲不會(huì)在外部循環(huán),從而記錄在 LISN 中。然后,每條電源線(xiàn)上有一個(gè)耦合繞組的 CM 扼流圈,作為轉(zhuǎn)換器和電源之間的屏障。它可以使用高磁導(dǎo)率無(wú)氣隙鐵氧體,因?yàn)槔@組與相位相關(guān),所以運(yùn)行電流會(huì)磁性抵消,為 CM 噪聲元件留下高阻抗。CM 扼流圈可以通過(guò)控制繞組之間的泄漏電感進(jìn)行纏繞,從而產(chǎn)生 DM 和 CM 衰減的組合。


瞬態(tài)濾波水平取決于安裝過(guò)電壓類(lèi)別


除了衰減發(fā)射,AC/DC 輸入濾波器還提供了對(duì)輸入過(guò)電壓的抗擾性,這些過(guò)電壓可以是高電壓、低能瞬變和突發(fā),也可以是低電壓的浪涌。觀察到的水平取決于 I 至 IV 級(jí)(嚴(yán)重程度不斷增加)的安裝過(guò)電壓類(lèi)別 (OVC)(表 1)。


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表 1:過(guò)電壓類(lèi)別的定義


充電器應(yīng)至少符合 OVC II 標(biāo)準(zhǔn),這通常需要添加輸入瞬態(tài)抑制器元器件,如壓敏電阻 (VDR)。相反,如果是 OVC IV,您會(huì)看到高能額定 VDR,可能還有多個(gè)氣體放電管。


此外,如果對(duì)充電器進(jìn)行了是否符合歐盟 EMC 指令的評(píng)估(如其 CE 標(biāo)志所示),則充電器還必須不受特定水平的外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)和 RF 場(chǎng)以及靜電放電 (ESD) 的影響。此處輸入濾波不是解決方案,但良好的內(nèi)部布局和設(shè)計(jì)實(shí)踐通常也有助于滿(mǎn)足發(fā)射限制。


設(shè)計(jì)從“集總”元器件開(kāi)始


任何開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)都可以從所選拓?fù)渲械募傇骷_(kāi)始,并計(jì)算一階性能。但是,如果考慮到 EMC 因素,則必須使用“真實(shí)”而非“理想”元器件(圖 2)。元器件的高階或“寄生”特性通常會(huì)導(dǎo)致EMC 問(wèn)題。例如,這些可能是對(duì)地雜散電容導(dǎo)致 CM 噪聲電流,或者是連接的串聯(lián)電感導(dǎo)致輻射。甚至圖 2 中描述的真實(shí)元器件也很簡(jiǎn)單。通常,寄生值是非線(xiàn)性的,例如電容器 ESR 隨頻率劇烈變化。此外,一些寄生現(xiàn)象的特征存在不連續(xù)性。例如,MOSFET 總輸入電容根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)在有效值之間交替變化。


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圖 2:一階的“理想”元器件及其“真實(shí)”等同物


除了直流電阻(僅隨溫度變化)之外,即使是電線(xiàn)和軌道連接也具有隨頻率和材料變化的交流電阻。這是由于固有電感和導(dǎo)體中心渦流抵消引起的“趨膚效應(yīng)”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),頻率為 f 的電流在銅導(dǎo)體中傳播的深度為 δ = 66/√f(圖 3)。例如,在 100 kHz 下直徑為 0.4 mm 的電線(xiàn)應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)趨膚效應(yīng)。在大多數(shù)情況下,這是一個(gè)極其近似的值,但 δ 實(shí)際上是電流下降到 1/e 或總電流的 37%(非零)的深度,嚴(yán)格適用于正弦波(而不是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中經(jīng)常觀察到的復(fù)雜交流波形)。


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圖 3:由于“趨膚效應(yīng)", 交流電流集中在導(dǎo)體外表薄層, 這取決于材料和頻率。


局部耦合效應(yīng)


導(dǎo)致 EMC 問(wèn)題的兩個(gè)主要不利影響是信號(hào)的電感和電容耦合,這會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)和/或最終輻射發(fā)射。來(lái)自電流階躍的感應(yīng)電壓被量化為 E = -L.di/dt。現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生 1000 A/μs 的電流邊沿速率;因此,只有 10 nH 可以產(chǎn)生 10 V 電壓尖峰。這種電感只有幾毫米的走線(xiàn)或布線(xiàn)。


同樣,電流是通過(guò)雜散電容感應(yīng)的 I = C.dV/dt,電壓邊沿速率可以達(dá)到 50 kV/μs,僅通過(guò) 10 pF 就產(chǎn)生 500 mA 的位移電流,這是變壓器隔離電容的典型值。


這些指的是電流和電壓脈沖。波形的基頻和低次諧波的穩(wěn)定 RMS 值要小得多,并且是頻譜分析中 EMC 發(fā)射評(píng)估中記錄的值。RMS 值可以從開(kāi)關(guān)波形的傅立葉分析中獲得,然后從簡(jiǎn)單的阻抗計(jì)算(例如,E = 2πfL.i 或 V = i/2πfC)中獲得這些頻率下的電流和電壓。諧振轉(zhuǎn)換器使計(jì)算更加簡(jiǎn)單。


近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)


在距離源很近的地方,很難量化場(chǎng)的影響。正如我們已經(jīng)看到的,改變電場(chǎng)或“E”場(chǎng)會(huì)通過(guò)雜散電容在導(dǎo)體中感應(yīng)出位移電流,而改變磁場(chǎng)或“H”場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓。這是在“近場(chǎng)”中,距離源 r 處的效應(yīng)按比例減少到 1/r2 或 1/r3。在更遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場(chǎng)”中,這些效應(yīng)轉(zhuǎn)化為組合電磁 (EM) 輻射,以 1/r 的速率下降。這是通過(guò)假設(shè)輻射是全向的而得出的結(jié)論。近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的邊界取決于源的物理尺寸 D 和波長(zhǎng) λ,盡管可以近似為:


對(duì)于源尺寸 <λ,r = λ/2π

對(duì)于源尺寸 >λ,r = 2D2/λ


關(guān)于典型的功率轉(zhuǎn)換器基本開(kāi)關(guān)頻率,源尺寸肯定小于波長(zhǎng),并且 r 在幾十米的范圍內(nèi);因此,所有的局部效應(yīng)都是近場(chǎng)效應(yīng)。在高次諧波水平,例如在 GHz 量級(jí),對(duì)于毫米大小量級(jí)的源,邊界在毫米范圍內(nèi)。EM 輻射標(biāo)準(zhǔn)反映了這一點(diǎn),規(guī)定的限值通常最高為 1 GHz,在相對(duì)較短的固定距離處測(cè)量。


電流耦合所起的作用


不必要的耦合可以是簡(jiǎn)單的電流耦合,即來(lái)自源的電流在連接中流動(dòng),并降低過(guò)高的電壓,或者與其他電流路徑混合產(chǎn)生“串?dāng)_”。PCB 走線(xiàn)通常是罪魁禍?zhǔn)?,并可能產(chǎn)生顯著的直流電阻:35 μm (1oz) 厚的銅片,長(zhǎng) 10 mm,寬 1 mm,在 25°C 時(shí)電阻接近 5 mΩ,在 85°C 時(shí)電阻上升到 6 mΩ。電流流經(jīng)該電阻時(shí)產(chǎn)生的壓降會(huì)疊加到流經(jīng)同一連接的任何其他功率或信號(hào)電流上,從而可能導(dǎo)致干擾。走線(xiàn)對(duì)交流的阻抗更復(fù)雜,取決于與相鄰走線(xiàn)、接地層和其他元器件的距離。例如,如圖 4 所示,在材料相對(duì)介電常數(shù)為 εr,間隔為 H 的接地層或簡(jiǎn)單微帶線(xiàn)上,寬度為 W、厚度為 t的走線(xiàn)具有以下特性阻抗 Z0:


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圖 4:具有特性阻抗 Z0 的 PCB


對(duì)于典型的 PCB,εr = 4,H = 0.76 mm,T = 35 μm;因此,1 mm 寬的銅質(zhì)走線(xiàn)將具有大約 65 ohm 的特性阻抗 Z0。該值非常重要,因?yàn)樵撝蹬c走線(xiàn)中高頻電流的拉電流和灌電流阻抗之間的任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)邊沿出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。


過(guò)孔也并不完美


層之間的過(guò)孔也可以通過(guò)其寄生效應(yīng)予以表征。如圖 5 所示,如果外徑為 D,內(nèi)徑為 d,未填充,長(zhǎng)度為 T,則電感如下:


L = 2T(ln(4T/d) + 1)nH


同時(shí),電容如下:


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20.png圖 5:過(guò)孔尺寸


對(duì)于典型的未填充過(guò)孔,這些值分別為 1.2 nH 和 0.33 pF。此外,直流電阻約為 0.5 mΩ,而熱阻約為 100°C/W。


有時(shí),不可能理想地分離轉(zhuǎn)換器功率路徑中的電流。如圖 6 所示,經(jīng)典降壓拓?fù)渚褪沁@樣一個(gè)例子,其中公共接地點(diǎn)的“星形”連接為最佳連接,但由于電路的能量存儲(chǔ)和釋放階段有多個(gè)電流回路,因此其位置無(wú)法達(dá)到最佳。此外,反饋信號(hào)的最佳公共接地點(diǎn)不一定與功率路徑相同。


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圖 6:帶星點(diǎn)接地的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)最佳折中。


結(jié)論


本文涉及了實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器中元器件和連接之間低交互所需的一些設(shè)計(jì)考慮因素,這可能有助于實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)和輻射發(fā)射以及標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性。此外,我們還提供了一些現(xiàn)實(shí)生活中的寄生值,以便了解這些影響的規(guī)模。RECOM 最近出版的 EMC 知識(shí)手冊(cè)是本文的主要來(lái)源。至于電池充電器,拆卸后發(fā)現(xiàn),盡管有金屬外殼,但沒(méi)有安全或 EMI 接地連接,沒(méi)有 VDR,沒(méi)有安裝“X”電容器的空間,扼流圈位置也被捆扎起來(lái)。也許設(shè)計(jì)者有讓產(chǎn)品通過(guò)資格認(rèn)證的正確想法,但是削減成本的念頭還是蓋過(guò)了正確意圖。



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