功率转换拓朴架构及EMI噪声

无源 EMI 滤波器

虽然，电源模块通常会带内部输入和输出滤波器；但如果要满足系统要求，或需要符合认可的规格如 FCC，以及欧盟有关电源系统传导到电网的噪声标准，便需要外加滤波器。许多电源工程师会自己动手设计方案，大部份 DC-DC 转换器制造商会提供详细的应用笔记，并派出具丰富知识和经验应用工程师协助解决这些问题。此外，还有一些 DC-DC 转换器的供应商，提供交流前端和 EMI 滤波器模块。使用这些过滤器模块不仅节省时间，而且质量，性能比较有保证。这些 EMI 滤波器是专为配合供应商的转换器模块而设计的，只要布线妥当，把转换器模块和滤波器配套使用， 保证能满足特定的 EMC 规格。

在美国和欧洲，传导噪声是按 FCC 和 VDE 标准A 级和B 级限制严格规管的。在美国，工业设备的传导噪声应满足 FCC 标准 A 级要求，家用电器的传导噪声应满足更严格的 FCC B 级要求。在欧洲，所有国家均要求工业设备和家用电器符合 EN55022 (或 VDE) B 级标准。

现时多数的开关电源的开关频率在 100 kHz 至 1 MHz 之间。通常反射到电网之传导噪声频谱上的主要尖峰来自开关频率之基频及其谐波分量。

这些传导噪声标准，如 EN55011 和 EN55022，规范了从转换器反射到电网的传导噪声在 150 KHz 至 30 MHz 频带间不能超过规定之上限。要符合这些要求，所有传导噪声，即频谱上的尖点部份，必须低于规定的限度。

这些 EMI 滤波器通常是造成一个器件，(配置与图4 相似) 。它是一个带穿孔引脚的器件，内配共模扼流圈和 Y-电容器 (线到地)，另加两个电感器和一个 X-电容器（线到线）。由 Z1 提供瞬变保护，这样子的滤波器有足够的衰减能力，可以符合级别 B 的传导噪声限制。



图4 –符合EN55022，B级标准的EMI输入滤波器

此外，电容器、电感器，和滤波器（有源和无源）等器件都是经常用来衰减传导噪声的 (无论是共模或差模噪声) 。下文会讨论把各种器件遂一加上后的滤波表现，并提出一种新的 EMI 方案。

图5a 左边显示一个 48 V DC-DC 转换器，在输入端接上一个差模电容 C1。 这个单一的 120 ?F，100 V 电解电容，是用来保持低输入阻抗，稳定电压和确保良好的瞬变反应。它为模块储能，应尽量靠近输入端，达到最佳效果。

以这个配置为起点，图5a 右边显示一个 48 V 输入，150 W 满载工作的 DC-DC 转换器连接一个差模电容后的谐波水平，以及按级别 A 及 B 要求的EMI 和谐波标准。明显地，只加上一个差模电容，是不能满足要求的。

图5b 显示加上旁路电容及差模电容的情形，噪声水平虽仍未能达到标准，但已有很明显的改善。注意每个接在输入和输出端上的旁路电容是与基板接地的。这些电容是业内常用的 4700 pF，100 V 的 Y-电容。Y-电容对衰减转换器衍生出来的噪声是十分有效的。

48 V 转换器满载时所产生的噪声是较高的，它比一个 3.3 V 半载的转换器要高。无论如何，在图5b 可以看到明显的改善。

再加上一个 27 μH 的差模电感 L1，在图5c 看到，48 V 转换器在低频部份仍然不达标，噪声水平还是高于 B 级的限制。

图5d，是用共模扼流圈取代差模扼流圈，共模扼流圈本身也具差模电感，可取代差模扼流圈。共模扼流圈可以增大 Y-电容的衰减能力，因为共模扼流圈对转换器产生之共模噪声形成高阻抗，使噪声沿着较低阻抗之路径，经 Y-电容传到大地。



图5 - 48 V, 150 W DC-DC转换器接上不同器件的噪声频谱。  
a.差模电容 b.旁路电容 c.差模电感 d.共模滤波器 (去掉差模扼流圈)

48 V 转换器的噪声现在只是稍稍高于级别 B 标准，需要稍稍加些滤波器。3.3 V 转换器加共模滤波器以后，无论是满载或半载，都完全符合级别 B 的标准了。

有源 EMI 滤波器。电子行业不断要求产品体积更小巧，和拥有更多功能，这趋势已是不可逆转的。系统的体积不断压缩，要把更多的功能挤在板上或者是机架内，仪器之间互相干扰的机会大增。由于频率增加和电压水平下降，电磁干扰控制，成为一个非常重要的设计任务。要把电磁干扰好好的控制，是十分复杂的事情，整个设计受到多种因素影响，要用上多种滤波器 (有源或无源的) 来把传导噪声管理好。

与无源滤波方案比较，有源滤波器可减少共模扼流圈所占用的空间，令整个元件体积只有1" x 1" x 0.2"，是非常纤薄的表面贴装的元件。总的来说这方案节省占用电路板空间，而且元件很薄，可让空气在上面流动，帮助散热。

有源 EMI 滤波器 (见图6 QPI) 可衰减 150 KHz 至 30 MHz 间的共模及差模噪声，满足 EN55022 (CISPR22)要求。



图6 - 有源滤波器 (QP1) 与 DC-DC 转换器连接图。
Cin，C1，C2，C3 及 C4 的值应由 DC-DC 转换器生产厂提供。

图7 是连上有源滤波器与没有连上滤波器的噪声测试图。测试条件按 CISPR22 标准。结果显示带载的 DC-DC 转换器，它的总噪声低于 EN55022 级别 B 准波峰检测水平，显示有源滤波器有效的滤掉传导噪声。



图7- DC-DC转换器传导 EMI 噪声。
连上有源滤波器 (下图);没有滤波器 (上图)

选择和评定 EMI 滤波器时，设计人员应该留意，他们必须测试滤波器用在他们的产品上的表现，而且测试装置及条件必须符合其产品所须遵循的 EMI 标准。在选择滤波器和合适的设计时，应参考未加滤波器时波幅和频谱。

一个产品的传导噪声，应包含差模和共模噪声，可能还包括辐射噪声，那要取决于 EUT 屏蔽和布线屏蔽的测量装置。IEC 国际电工委员会的 CISPR 16-2-1，列明量度传导干扰的方法。

滤波器的性能是非常依赖输入母线和负载阻抗的。并不能单从零偏压，50 ? 插入损耗数据推断出来。滤波元件, 仪器接地，以及噪声源阻抗等都会影响最后的噪声表现, 会改变相关频谱的幅度和相位。

有源 EMI 滤波器，可衰减 150 KHz 至 30 MHz 间的共模及差模噪声，满足 EN55022 要求。它透过感应流向母线的共模电流，在屏蔽板产生低阻抗，把噪声引导到产生噪声的源头。当有源 EMI 滤波器按图6 所示连接妥当，控制回路会主动的驱动屏蔽脚，减少在母线内的共模电流，直到共模电流值衰减至如图7 所示水平。