所有的 DC-DC 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器由于要盡量提高開(kāi)關(guān)頻率和傳送功率,，都會(huì)產(chǎn)生潛在的干擾信號(hào)，在輸入端的傳導(dǎo)噪聲,，會(huì)以差?；蚬材Ｐ问匠霈F(xiàn)。差模噪聲是當(dāng)電流通過(guò)輸入導(dǎo)體的基頻及其諧波時(shí)產(chǎn)生的,，通常都處于低頻的,。共模噪聲大多是高頻的，于轉(zhuǎn)換器的輸入導(dǎo)體及地線中間形成。同樣地,，開(kāi)關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)于輸出端產(chǎn)生噪聲以及紋波,。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和設(shè)置 EMI 濾波會(huì)將噪聲減少至可接受程度。
在歐洲和美國(guó),，例如,，傳導(dǎo)噪聲是按 FCC 和 VDE標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)和 B 級(jí) 限制嚴(yán)格管理的。在歐洲,，所有國(guó)家均要求家用電器和工業(yè)設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足 VDE 標(biāo)準(zhǔn) B 級(jí)要求,。在美國(guó)，工業(yè)設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足 FCC 標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)要求,，家用電器的傳導(dǎo)噪聲輻射應(yīng)滿足更嚴(yán)格的 FCC 標(biāo)準(zhǔn) B 級(jí)要求,。
減少輸入端噪聲的 EMI 濾波方案
現(xiàn)時(shí)多數(shù)的開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率在 100 kHz 至1 MHz 之間。通常反射到電網(wǎng)之傳導(dǎo)噪聲頻譜上的主要尖峰來(lái)自開(kāi)關(guān)頻率之基頻及其諧波分量,。
一些傳導(dǎo)排放標(biāo)準(zhǔn),，如 EN55011 及 EN55022 設(shè)定轉(zhuǎn)換器及電源系統(tǒng)反射到電網(wǎng)的準(zhǔn)峰值及平均值；反射傳導(dǎo)噪聲需要在限制 150 kHz 至 30 MHz間,。要符合這些要求,，所有高峰頻譜上的傳導(dǎo)噪聲，必須低于規(guī)定的限度,。
濾波方案的組件及封裝
EMI 濾波器經(jīng)常被設(shè)置在一個(gè)單獨(dú)封裝內(nèi)(如圖1 的配置),。一般的 EMI 濾波器是穿孔式的，帶上共模扼流圈和 Y電容 (線到地),，再加兩個(gè)電感器和 X電容 (線到線),。瞬變保護(hù)由 Z1 負(fù)責(zé)。這結(jié)構(gòu)的輸入損耗足以符合級(jí)別B 傳導(dǎo)排放標(biāo)準(zhǔn),。
圖1 – 符合EN55022級(jí)別B標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器
然而,，一般的電源設(shè)計(jì)都加上電容、電感及濾波器來(lái)減少或衰減共模和常模傳導(dǎo)噪聲,。首先,，加上個(gè)別組件或?yàn)V波器對(duì)噪聲譜的影響，顯示了一個(gè)全共模濾波器導(dǎo)致的結(jié)果,。它們的效果可以在噪聲頻譜上顯示出來(lái),。
圖2a 的左邊顯示一個(gè) 48 V 輸入 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在輸入端接上一個(gè)差模電容 C1 (120?F,，100 V),。用以保持低輸入阻抗，穩(wěn)定電壓和提升瞬變反應(yīng),。它為模塊儲(chǔ)能,。愈靠近輸入端,，其效果更佳?！ ?/p>
現(xiàn)在,，以一個(gè)模塊加一個(gè)電容器作為開(kāi)始的基礎(chǔ)。圖2a 右邊的圖譜,；顯示了一個(gè) 48 V 輸入,，150 W滿載工作的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接差模電容后的噪聲諧波含量，及按級(jí)別 A 和 B 要求的 EMI 和諧波標(biāo)準(zhǔn),。如果只加上差模電容,；轉(zhuǎn)換器明顯不能滿足要求。因?yàn)殡娫丛皇菫榕浜先魏沃付ǖ?EMI標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的,。
圖2b 顯示加上旁路電容及差模電容的情形,。注意每個(gè)接在輸入端上旁路電容是與基板接地的，而每個(gè)接在輸出端上旁路電容是與基板連接的,。通常的電解電容值是 4700 pF,，100 V 的 Y電容。噪聲水平雖仍未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),，但已有很明顯的改善。
相對(duì)于 3.3 V,、半載,，48 V 輸入、滿載應(yīng)用所產(chǎn)生的噪聲較高,，但從圖2b 的圖譜顯示,，已經(jīng)有明顯的改善。
就算加上一個(gè) 27 ?H 的差模電感 L1 (圖2c),，低頻噪聲仍達(dá)不到級(jí)別B 的標(biāo)準(zhǔn),。
圖2d 顯示加上共模扼流圈后的情況。由于共模扼流圈也具差模電感,，可取代差模扼流圈,。共模電感加強(qiáng)了 Y電容的能量。這是由于共模扼流圈對(duì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生之共模噪聲形成高阻抗,，使噪聲沿著較低阻抗之路徑,，經(jīng) Y電容傳到地。
DC轉(zhuǎn)換器接上不同器件的噪聲頻譜" border="0" height="171" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100811/cd0ac072-566e-4eb5-b91b-96a033a48300.jpg" width="384" />
圖2 - 48 V, 150 W DC-DC轉(zhuǎn)換器接上不同器件的噪聲頻譜,。
a.差模電容 b.旁路電容 c.差模電感 d.共模濾波器 (去掉差模扼流圈)
48 V 轉(zhuǎn)換器的噪聲現(xiàn)時(shí)只是稍高過(guò)級(jí)別B 標(biāo)準(zhǔn),；需要再加上濾波器。而在 3.3 V 應(yīng)用,，加上一個(gè)共模濾波器后,，不論是滿載或半載都完全符合級(jí)別B 的標(biāo)準(zhǔn),。
有源 EMI 輸入濾波方案
在通訊領(lǐng)域，對(duì)傳導(dǎo) EMI 的規(guī)范更高,，要符合要求,，有源濾波器便幫上大忙。過(guò)往通訊儀器只要求離線及交流輸入電源達(dá)到 EMI 的測(cè)試和符合要求,。PICMG 于 2003 年修定新標(biāo)準(zhǔn),；訂定 PICMG 3.0 或 Advanced TCA®。要求 DC 電路板的傳導(dǎo)噪聲必須達(dá)到 EN55022 B級(jí)的標(biāo)準(zhǔn),。每塊電路板都要加上濾波器濾掉噪聲,，減少板與板，機(jī)架與機(jī)架的干擾,，也減少每個(gè)機(jī)架的總直流噪聲,。
同時(shí),，采用體積更細(xì)小的元件,，或把多項(xiàng)功能集合在一起，已是電子業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),。由于空間見(jiàn)小,，系統(tǒng)必需把多項(xiàng)功能密集在電路板或系統(tǒng)內(nèi)，器件之間的潛在干擾性便提升了,。近代通訊應(yīng)用,，輸出電壓較以往低，工作頻率需要提高,，對(duì) EMI 噪聲的控制,，便成為設(shè)計(jì)上更加重要的一環(huán)。通訊系統(tǒng)內(nèi)的刀峰式設(shè)計(jì),，便要求結(jié)集多項(xiàng)功能在一塊板上,，并且需要優(yōu)良的性能表現(xiàn)。ATCA® PICMG 3.0 規(guī)格支持頻寬 2.5 Tb 的19” 機(jī)架,。一個(gè)滿載的ATCA® 機(jī)架可載有14 塊電路板,，體積是 19” x 21” x 15”。為要支持更多的功能,，每一塊電路板可用上 200 W 功率電源,。由于每塊電路板都需要由一個(gè) 48 Vdc 冗余輸入供電，要符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)就變得困難,。由于每塊板上都帶電源,，無(wú)論是采用磚式模塊或采用分立元件進(jìn)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射噪聲,。相對(duì)于以往的 compact PCI,，功率轉(zhuǎn)換都在板外進(jìn)行,，處理刀峰式設(shè)備的 EMI 噪聲便非常棘手。
為了減少板與板,，機(jī)架與機(jī)架間的噪聲干擾,，ATCA® 要求在電路板上濾掉 EMI 傳導(dǎo)噪聲。PICMG 3.0 申明,，每一塊電路板都需要符合EN55022 級(jí)別B 的傳導(dǎo)噪聲要求,。透過(guò)電路板來(lái)達(dá)到濾波，使電路板之間的干擾減至最少,。同時(shí)PICM 3.0 要求整個(gè)機(jī)架的 EMI 噪聲不能超標(biāo),。在板上分散濾波方式，機(jī)架需要的濾波器較小,。否則要處理整個(gè) ATCA® 的機(jī)架,；濾波器需支援差不多 60 A 電流。要足以應(yīng)付這電流,；電感器要求很大,，在板上分散濾波，有助于減少對(duì)電容器的要求,。
有源 EM I濾波器 (見(jiàn)圖3) 可衰減超過(guò) 150 kHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲,，滿足 EN55022 (CISPR22) 要求。這有源濾波器的規(guī)格是 48 Vdc母線 (36 – 76 Vdc),，額定電流 7 A,，可支持多種DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電路板負(fù)載溫度達(dá) 60°F,。
圖3 – 有源濾波器 (QP1標(biāo)簽)與DC-DC轉(zhuǎn)換器的連接圖。
CIN及C1,、C2,、C3及C4的值通常由轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商建議。
與無(wú)源方案相比,，這有源濾波器可減少共模扼流圈占用的空間,，提供了一個(gè)體積細(xì)的表面貼裝器件。特別是有源 EMI 濾波器同時(shí)減少電感體積,，令整個(gè)EMI 濾波器只有 1” x 1” x 0.2” 大小,。細(xì)小體積減少占用電路板的空間，薄身更可讓空氣在組件上面流動(dòng),，幫助散熱,。有源濾波器的額定電流 7 A，足夠支持 200 W ATCA® 電路板,?！ ?/p>
圖4 顯示一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器連上有源濾波器之前與之后的噪聲測(cè)試圖,。這連接是使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)，以及合符 CISPR22 的要求,。結(jié)果顯示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的總噪聲低于 EN55022 級(jí)別B 準(zhǔn)波峰檢測(cè)水平,。測(cè)試圖證明了有源濾波器有效地濾掉傳導(dǎo)噪聲至低于所需標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 – 一個(gè)DC-DC 轉(zhuǎn)換器連上有源EMI濾波器 (右邊) 與沒(méi)有濾波器 (左邊) 的傳導(dǎo)噪聲情況,。
多功能輸入濾波模塊
有些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供貨商同樣提供 AC-DC 前端模塊,，其中一些 AC-DC 元件附多項(xiàng)功能，如 EMI 濾波,。例如,，其中一個(gè)濾波及整流模塊便帶 EMI 濾波，自動(dòng)調(diào)節(jié)整流及浪涌電流限制等多項(xiàng)功能,，并能符合 Telcordia,，F(xiàn)CC，ETSI 及歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì) EMI 的要求,?！ ?/p>
減少輸出噪聲的 EMI 濾波方案
開(kāi)關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器也在輸出端產(chǎn)生紋波和噪聲。這些輸出噪聲,，通常又謂周期性及隨意性的偏差 (PARD),，也就是不論其性質(zhì)或來(lái)源；是迭加在 DC 輸出的所有紋波及噪聲成份的總和,。開(kāi)關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)出紋波及噪聲的水平在數(shù)十毫伏左右,。
有一個(gè)輸出紋波衰減模塊結(jié)合了有源和無(wú)源濾波；在負(fù)載達(dá) 20 A 時(shí)可減少輸出紋波至小于 3 mV 峰-峰值,。模塊尺寸是 2.8” x 2.4” x 0.5”,，可衰減低頻的輸入基頻及諧波至 DC-20 MHz 的頻率范圍，效率達(dá) 93 - 99%,。
另外有一款 SiP 封裝,、有源濾波的輸出紋波衰減器(圖5)，在 1 kHz 至 500 kHz 范圍減少輸出端的紋波和噪聲 (周期性及隨意性的偏差) (PARD) 30dB 以上,。這器件可用于大部份的開(kāi)關(guān)電源,，改善瞬態(tài)反應(yīng)及保證凈潔的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓。透過(guò)轉(zhuǎn)換器的遙感功能或調(diào)節(jié)引腳來(lái)實(shí)行負(fù)載穩(wěn)壓,。假如轉(zhuǎn)換器沒(méi)有遙感端或不適合使用時(shí),，調(diào)整功能會(huì)修正轉(zhuǎn)換器的輸出電壓；來(lái)補(bǔ)償濾波引至的余量電壓下降,。濾波器的余量電壓的設(shè)置大大減少了轉(zhuǎn)換器輸出端所需的電容,；提供等同的瞬變性能和減少紋波。
圖5 – 有源濾波的輸出紋波衰減器的正常表現(xiàn)
這元件是針對(duì)測(cè)試及量度,、負(fù)載點(diǎn)分布電源,、要求低噪聲電源的感應(yīng)器,，以及醫(yī)療儀器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的?！ ?/p>