【自动化】通信用dcdc变换器emi滤波器的研究及设计 翻译

传导发射与传导敏感度本章要研究发射的产生及其沿着产品的交流电源线传导出产品的原理。因为产品安装在市电中，所以管理机构规定强制性传导发射限值。一个设备的电力分配系统是一个庞大的网络，联接着各种电能输出装置，这个设备的其他电子系统通过这些输出装置获取交流电。因此形成了一个巨大的“天线”系统，使得这些传导发射能很有效的辐射出去，对该设备中的其余电子系统形成干扰。因此，传导发射能够引起传导发射，从而引起干扰。通常来说，减少传导发射比减少辐射发射稍微简单一些，因为只需要控制这些发射的一条路径，即电源线。然而，一个产品不能符合传导发射限值时，却能符合辐射发射的限值，意识到这一点很重要。因此，控制产品的传导发射和控制辐射发射同等重要。电子产品生产商还意识到仅仅满足规定的传导发射和辐射发射限值不能达到理想的电磁兼容状态。一个产品必须能够抵抗来自电网的干扰，确保产品能正常运行。譬如，闪电会袭击给设备供电的电能传输线这可能产生一系列的干扰,市电的完全中断所有产品都不能承受，由于电力系统开关试图闭合而导致瞬间电能中断（产品能承受住，数据和功能不丢失。传导发射限值是为了控制存在于商业电网中且沿商业电网传播的噪声电流引起的辐射发射的干扰电压而制定的。通常这些噪声电流很小，不会通过设备的电源线传入设备而产生直接的干扰。这种干扰反映了一个传导敏感度问题，生产厂商意识到并且努力让产品能够承受这种干扰。61传导发射的测量理解传导发射限值的测量过程很重要，已经在214中讨论过。FCC和CISPR22要求传导发射从150K30MHZ见图21。进行一致性测试时，在电网和被测设备交流电源线之间插入线性阻抗稳定网络LISN。图61是一个典型的测试结构图。产品的交流电源线接LISN的输入。LISN的输出接市电输出。频谱分析仪与LISN相连，用来测量产品的传导发射。图61在产品的传导发射测量中线性阻抗稳定网络LISN的使用举例611线性阻抗稳定网络LISN传导发射测试的目的是为测量存在于产品交流电源线中的噪声电流。这些发射可以简单的使用电流探头测量。然而，使用电流探头会随着测试场地不同而导致测量的数据不同，使得这种测量方法不可行。在整个测量频段范围内，从不同建筑物、不同墙上插头看入的阻抗会不同。阻抗值不同，通过电源线传导出去的噪声数量也不同。为了保持各个实验室的一致性，不同实验室从产品交流电源线看过去的阻抗必须稳定。这就是LISN的第一个作用在产品电源线整个传导测试频段中变现为恒阻抗。同样，在电网中产生的噪声数量也随地点的不同而不同。“外部”噪音耦合到产品交流电源线中，除非它被以某种方式被除掉，它将增加被测量的传导发射。我们希望只测量由该产品产生的传导发射，所以LISN的第二个作用是阻断不是由被测量产品产生的传导发射以便只有该产品产生的传导发射被测量。因此LISN的两个作用是1在相线和地线绿线之间、中线和地线之间提供恒阻抗50；2阻止电网中外部传导噪音干扰测量。要达到这两个目的需要传导干扰测量的频率范围在150KHZ30MHZ。另外一个对于LISN的细微但说不清的必要条件是它能通过60HZ50HZ的功率。图62是为传导发射测量特制的LISN。市电介入侧，在相线和绿线之间、中线和绿线之间1F电容的作用是去除电网上的外部噪声，阻止噪声窜入测量设备中污染测量数据。同样，50H电感的作用是阻断噪声。另外一个01F电容是隔直电容，防止测试接收机过载。计算在FCC规定限制的下限频率150KHZ和上限频率30MHZ的阻抗是有作用的。计算得到阻抗为元件Z150KHZZ30MHZ50H4719424801F106100531F10600053图62LISN电路举例说明因此电容在测试频段内是低阻抗，电感呈现为大阻抗。50电阻移去时，1K电阻为01F提供放电通道。在1K电阻旁边并联50电阻，一个50电阻是接收机频谱分析仪的输入阻抗，另一个是保证相线和地线之间、中线与地线之间阻抗恒定在50的一个50虚拟电阻。测量电源标记为和，分别是相线和电线之间、中线和地线之间的PVN电压。两个测量值必须在传导发射限值的频段内测量并且都必须小于各频率下的特定限值。现在我们明白为什么传导发射用电压来规定，而事实上我们对传导发射电流感兴趣。相线电流和中线电流与测量电压之间的关系为61A50PPVI61BN其中，假设在测量频段范围内，LISN的电容短路，电感开路。因此测量电压直接和通过相线、中线存在于产品中的噪声电流有关。LISN中的电容电感在传导发射测量频段内是短路开路电路。如图63所示，LISN电路的相线和绿线、中线和绿线见的等效阻抗是50。电源频率为60HZ时，电感阻抗为188M，1F电容阻抗为27K。因此，在电源频率为60HZ时，LISN基本上没有作用，只能给产品供电。最后有必要指出，一致性设计的目的是抑制规定频率范围内的干扰电流通过50LISN流入。规定频率范围以外的干扰没有要求必须符合干扰限值，但是对于某些产品也可能很重要，为了生产合格的产品，有时候也需要考虑。通过LISN测量到的任何超过限值的电流都会导致整个产品不能通过测试。一个典型的例子是电源线上存在系统晶振引起的时钟信号谐波。假设系统时钟为10MHZ，如果该信号耦合到交流电源线上，就会在测量频率范围内出现基波和谐波信号10MHZ，20MHZ，30MHZ。虽然电源线不是用来承载这些电流的，但是如果这些电流存在于电源线中，就会通过LISN测量到，导致产品不符合规定限值。图63在产品使用频率范围内的LISN等效电路612共模电流和差模电流增益如图63所示，相线和绿线之间，中线和绿线之间的LISN代表50的电阻在传导发射规定限值内的理想特性，使分析传导发射变得简单。需要符合限值的测量电压就是50电阻上的电压，记作为和。根据式61,这些电压和发射电流满足欧姆定律。如图PVN64所示，与辐射发射的情况一样，将电流分解为从相线流到中线的差模电流和从相线、中线流回到绿线的共模电流解得被测电压为认识到与辐射发射相反，在传导发射中共模电流与差模电流的数量级一样或超过差模电流是很重要的图64差模电流和共模电流对被测传导发射的贡献说明下面用实验结果证明这一重要事实。因此，不应该假设共模电流对传导发射没有影响。记住传导发射符合性测设中的差模电流不是60HZ电源线上的工作电流也是很重要的。观察到差模电流从一个50电阻流入，从另一个50电阻流出；共模电流同时从50电阻流入。因此，每相电流的贡献是加入到中和从中减去。因此，当共模、差电流的PVN幅度相等时，相线和中线上的电压不同或者实际上，在电源线电流流入LISN之前所有产品都在通过噪声电流的电路中使用电源滤波器。电源滤波器包括既能抑制差模电流、又能抑制共模电流的器件。把总电流分解为共模、差模电流是为了便于滤波器元件的选取，只有其中的一种元件是设计电源滤波器的关键，能有效抑制产品的传导发射，使产品符合规定限值。两种常见阻断共模电流通路的方法如图65所示。很多电子产品在绿线入口处使用电感，如图65A所示。电感在传导发射规定限值的频段内对共模电流而言为高阻抗，但是故障电流的通路仍然存在以提供绿线的雷击保护。出于安全原因，不希望在绿线上焊接电感，因为焊点有可能断裂，导致绿线断开而存在潜在的雷击危害。为了避免这种情况发生，把绿线在铁氧体磁环上绕几圈构成电感该电感在传导发射限值频率范围内具有核实的特性。这种绿线上电感的典型值是05MH，在规定限值的较低频率上150KHZ阻抗大约为471。有人可能想电感在传导发射限值的频率上限30MHZ时的阻抗会增加，但实际上不是真的。如第5章所讨论的，磁环线圈上的分布电容会导致其高频性能变差。图65减小共模电流的传导发射的方法A绿线的电感B两线产品阻断共模电流的另一种方法是设计所谓的“两线产品”。电源线只包含相线和中线，没有地线。两线产品存在潜在的雷击危险，因为电源供电系统的中线直接与大地相连在电源线入口处，相线与地线相比很“火”。由于不能保证用户总是把电源线插头插入插座正确的插孔中，所以不可能把中线与机壳相连。如果用户把产品电源插头插入电源插座错误的插孔中，机壳相对于大地很“火”，这存在一个很明显的雷击危险。两线产品避免这个问题的办法是在产品电源入口处使用60HZ的变压器，如图65B所示。机壳联接变压器次级，不直接与相线或中线相连。这种设计去掉了绿线，通常认为能消除共模电流。但由于图65B所示的原因，这不一定是正确的。产品机壳与测试场地金属墙面之间的杂散电容提供了返回LISN的等效绿线要求与测试场地的接地面相连。产品电子电路与产品机架之间任何共模电压都会驱动共模电流流经这条通路。变压器初级与次级之间的杂散电容也存在。62电源滤波器实际上如果不在产品电源线的出口处插入某种形式的电源滤波器，现在没有任何电子产品能符合传导发射要求。一些产品可能看上去没有包含滤波器，但实际上存在滤波器。例如，双线产品或当使用线性电源时，产品在电源入口处使用了60HZ的大变压器。变压器的正确设计能提供内在的滤波作用，因此，在某些情况下，可能需要一种“无意”滤波器。本节主要研究无意电源滤波器的设计。621滤波器的基本特性这里从滤波器性能开始讨论。电子工程中的所有领域都使用滤波器，如通信，信号传输和自动控制。关于这种类型的滤波器的设计资料很丰富。读者要注意的是用来减小传导发射的电源滤波器很少利用这些传统滤波器的设计思想来设计。不过，对传统滤波器的基本原理的讨论有助于发现所有滤波器通用的基本原理。滤波器典型特性指标是插入损耗IL，一般用DB来表示。考虑如图66A所示的给负载提供信号的问题。为了防止源的某些频率分量到达负载，在源和负载之间插入一个滤波器，如图66B所示。未插入滤波器时负载电压用表示，插入滤波器后负载电压表示为。滤波器的插入损耗定义为图66滤波器插入损耗的定义A无滤波器时的负载电压B插入滤波器的负载电压注意该等式中的电压没有用符号表示，因此只表示电压幅度。由于滤波器的插入，插入损耗会减小某一频率上的负载电压。通带插入损耗表现为频率的函数。如图67所示为一些简单的滤波器，可以用第5章中所讨论的技术来分析。例如，确定如图67A所示低通滤波器的插入损耗。无滤波器时的负载电压可以很容易地由图66A得到插入滤波器后的负载电压为图67四种简单滤波器插入损耗是式68与式69的比其中，是电路的时间常数。插入损耗曲线从0DB到点的3DB，以后以20DB/10倍频的速率增加。因此低通滤波器能通过直流到的频率分量，其他频率分量衰减很快。3DB点以上频率的插入损耗的表达式简化为其他滤波器的分析类似。上述例子说明了重要一点某个滤波器的插入损耗取决于源和负载的阻抗，因此不能独立于终端阻抗而声明。大多数滤波器厂商都提供滤波器插入损耗的频响曲线，由于插入损耗取决于源和负载的阻抗，那么这些指标中如何假设源和负载的阻抗值呢答案相当明显假定RSRL50这里引出了另一个重点基于50源和负载阻抗的与滤波器性能有关的插入损耗指标在传导发射测试中怎样起作用呢考虑滤波器在测试中的使用，负载阻抗与相线和绿线之间、中线和绿线之间的LISN的50阻抗相对应。那么源阻抗RS是多少呢我们不知道答案，因为源阻抗需要从产品电源输入端看进去，50是令人怀疑的，而且在传导发射测试的频率范围内位常数所以使用厂家提供的插入损耗数据来评价滤波器在产品中的性能可能得不到理想的结果。而且，有两种电流必须减小共模电流和差模电流。滤波器厂家通常分别给出针对不同电流的插入损耗。这些数据的获得如图68所示如图68A所示，绿线端差模插入损耗的测量，绿线不连接，相线和中线构成被测量电路，由于差模电流定义为从相线流出，经中线流回，绿线上没有差模电流。对于共模测试，相线和中线连接在一起，形成如图68B所示的带绿线的测试电路。再次，假设源和负载阻抗都是50。622通用电源滤波器的结构最普遍的电源滤波器结构是如图69所示的滤波器结构及其变化版本，读者应注意滤波器的结构构成了一种型结构。产品输出端的差模电流和共模电流通常为产品电源的输入端表示为，而在LISN输入端的电流滤波器的输出端表示为。滤波DIC器的目的是减小初级电流电平对应的测试电压为它们必须在规定限值的频率范围内的所有频点上小于传导发射限值。图69典型的电源滤波器结构623滤波器元件对共模电流和差模电流的影响如上讨论的，在滤波器输出与LISN输入之间的绿线中包含的电感能抑制共模电GWL流。相线和中线之间包含的电容，可分流差模电流，它们被认为是线对线间电容。DLCR电容具有安全机构证明的绝缘性能，适合用作线间电容的被认为是“X型电容”。下标L和R表示滤波器安装时的左侧和右侧标志。相线和绿线之间，中线与绿线之间包含的电容，分流共模电流，这里指的是线对地电容。电容具有安全机构证明的绝缘性能，CLR适合用作为线对地电容的被认为是“Y型电容”。所需要的电容出于安全考虑，例如，假设一个Y型线对地电容短路。如果该电容与相线相连，那么120V电压将与绿线相连，常常会直接加到产品机架上，这就代表了明显的触电隐患。另外，如UL等美国安全机构规定了最大的漏电流，60HZ时漏电流可流经线对地电容，以使由漏电流导致的触电危险降到最低。这就限制了滤波器中线对地电容的最大值。一些滤波器只在左边或者右边有电容，一些滤波器两边都有。还有其他一些滤器可能只含有，而省略了。电容的典型值为CLD和RCD和可观察到左边的线地电容与LISN的50电阻并联。因此C047F20P，。CL如果在所关心的频率上的阻抗不明显低于50，那么电容对分流共模电流无效。为判断左边的线地电容是否有效，计算典型电容值的阻抗145MHZ时，电容的CL20PF阻抗为50。因此电容只有高于该频率时才对共模电流从50电阻LISN的分流有效。CL滤波器所包含的最后一个典型元件是由耦合电感所代表的共模扼流圈。每个线圈的自电感用L表示，互电感用M表示。通常，该元件由两个绕在公共铁磁芯上的相同的线圈构成。它在传导发射频率范围内具有合适的特性,变压器也类似，如图610A所示。因为绕阻相同，并且紧密绕在同一个磁芯上，所以，互感近似等于自感，。并且耦LM合系数接近161412MKL共模扼流圈的目的是抑制共模电流。理想情况下，共模扼流圈不影响差模电流，这在第5章讨论过了，但是这里有必要重复一下。如图610B所示，这里只考虑流过线圈的差模电流。计算扼流圈两边的电压降为图610使用共模扼流圈抑制共模传导发射A物理结构和等效电路；B差模电流的等效电路；C共模电流的等效电路因此，共模扼流圈在每根导线中插入了与差模电流有关的电感LM。这就是通常所指的漏电感，是由于一部分刺痛从线圈中泄流出来，没有在实际线圈的漏电感不为0，在抑制差模电流中起了重要作用。现在考虑扼流圈对共模电流的作用，如图610C所示。计算扼流圈两端的电压降为可见共模扼流圈在每根导线中插入了与共模电流有关的电感LM。所以，共模扼流圈能抑制共模电流。电感的典型值为10MH数量级，一次共模电流阻抗在150KHZ时为，30MHZ时为377M。强调这只是理想值。线圈之间的寄生电容与J1850LM典型的铁磁芯材料一样严重影响着扼流圈的频率特性。另外，我们已经看到了频率阻抗RF，这也反映了流经铁磁芯的共模电流。再次强调共模扼流圈的另一个特性。除了差模电流中的噪声信号外，还存在着另一种电流60HZ的高电平电源电流，一般有几个安培。这么大的电流很容易使铁氧体磁芯饱和，因而使导磁率降低为洁净空气的导磁率。扼流圈抑制共模电流的能力取决于所得到的较大的L、M值，而L、M又取决于具有高导磁率的铁磁芯。如果铁磁芯材料被60HZ的高电平电流饱和了，就不能获得足够高的感抗去抑制共模电流。另一方面，不希望扼流圈上产生较大的电源压降。实际上差模电流的磁通量会在线圈中抵消，因为线圈在铁磁芯上的缠绕方式意味着在理想情况下，扼流圈对差模电流不提供任何阻抗，即对于差模电流来说是透明的甚至在60HZ。因此，60HZ的磁通量在铁芯中相互抵消，不会使磁芯饱和，这是共模扼流圈的另一个优点。现在需要建立一些等效电路来代表滤波器对共模、差模电流的作用。假设滤波器对于相线和中线对称，那么，这意味着相线绿色地线电路和中线绿色地线电路相同。这对如图69所示的通用滤波器时正确的。相线绿线之间线对地电容与中线绿线之间的电容相同，共模扼流圈两边的自电感也相同。通常都是这样，因为构成一个非对称结构的滤波器看上去没有什么优点。首先考虑对共模电流的影响，如图611所示。图611针对共模电流的滤波器和LISN的等效电路将共模电流模拟为电源流。由于结构的对称，假设共模电流相同，如图所示。列写网孔方程，能证明如图所示的等效电路能表示每个共模电流。直觉上很明显扼流圈表现为电感LM，而线间电容不起作用。由于流过绿色的地线，因此，绿线的电感为原来2CI的2倍大。通过等效电路可以发现一个重要的现象绿线电感将对阻断共模电流其作GWL用。假设左边的线地电容缺失，即0。如图611所示的等效电路显示，等效的绿线L电感将和共模扼流圈的等效电感LM、LISN的50阻抗串联。的典型值为2MH,GWLLM的典型值为55MH。这表明绿线电感的阻抗将由共模扼流圈的阻抗决定，因此绿线电感作用甚微甚至没有作用。为了让绿线电感起作用，左边的线对地电容必须存在，即。为了说明这点，用电流相除来计算，流经LISN的5