用于直流電源的模塊化EMI交流線路濾波器

對(duì)于交流電源供電的設(shè)備，通常的做法是使用模塊化 交流線路濾波器，該濾波器集成到連接器中或作為機(jī)箱安裝部件安裝，尤其是在工業(yè)、醫(yī)療保健和 ITE 等專業(yè)環(huán)境中。該設(shè)備通常包括嵌入式 AC-DC 轉(zhuǎn)換器或電源，也可能安裝在機(jī)箱上，有時(shí)也可能安裝在機(jī)架或 PCB 上。在每種情況下，電源作為獨(dú)立部件都將始終滿足發(fā)射的法定要求，通常針對(duì)傳導(dǎo)和輻射干擾符合 EN55011/EN55032。但額外的過(guò)濾可能仍然是必要的。

經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)備設(shè)計(jì)人員早就知道，簡(jiǎn)單地使用合規(guī)組件并不能保證最終產(chǎn)品的 EMC 合規(guī)性“通過(guò)”。原因是多種多樣的。例如，設(shè)備 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的一致性測(cè)試是在非常特定的條件下進(jìn)行的，即假定的交流線路阻抗、輸出負(fù)載、電纜長(zhǎng)度和布線以及部件相對(duì)于地面的位置。當(dāng)使用這種內(nèi)部安裝的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器測(cè)試最終產(chǎn)品時(shí)，所有這些條件都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同且通常更差的傳導(dǎo) EMI 特征。來(lái)自其他組件的輻射 EMI 也可以在電源線上拾取，從而增加傳導(dǎo)水平。

模塊化濾波器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) EMI 合規(guī)性

外部模塊化過(guò)濾器可能是解決方案，但有數(shù)百種可供選擇，哪個(gè)是最佳的？讓我們先看看典型商用濾波器的內(nèi)部電路，并考慮每個(gè)組件的作用（圖 1）。

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圖 1： 這種典型的模塊化 EMI 濾波器使用 CX 電容器來(lái)衰減差模噪聲，并使用電感器-電容器組合來(lái)降低共模噪聲。

電容器 CX 衰減差模噪聲、信號(hào)和由轉(zhuǎn)換器內(nèi)電流快速變化產(chǎn)生的從線路到零線的尖峰。電容器將被評(píng)為 X1、X2 或 X3，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺芙涣骶€路上的電壓瞬變。電感器 L 是一個(gè)共?；螂娏餮a(bǔ)償扼流圈，具有如圖所示的兩個(gè)相位的繞組。共模噪聲由轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電壓快速變化產(chǎn)生，從線路和中性線到地，將扼流圈視為高阻抗，每個(gè) CY 電容器將噪聲電流轉(zhuǎn)移到地。通過(guò)扼流圈上兩個(gè)繞組的正常運(yùn)行電流會(huì)導(dǎo)致磁芯中的磁場(chǎng)抵消，因此可以使用高電感值而無(wú)需擔(dān)心磁飽和。經(jīng)常，

雖然 CX 可以是實(shí)際限制內(nèi)的任何電容值，但兩個(gè) CY 值受接地泄漏電流要求的限制。它們有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 類型，具有降低的額定工作電壓和瞬態(tài)電壓。通過(guò) Y 電容器的漏電流是一個(gè)潛在問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儤蚪恿税踩琳?- 線和中性線到地。如果與設(shè)備金屬制品的保護(hù)性接地連接失敗，外殼會(huì)通過(guò) Y 電容器“浮動(dòng)”至線路電壓，并可能導(dǎo)致電擊。因此，這些 Y 電容器值被限制為允許不超過(guò)規(guī)定的電流流過(guò)外殼，該值由用于特定應(yīng)用環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。限值可以從工業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)十毫安到心臟浮動(dòng)醫(yī)療保健應(yīng)用中的小于 10μA。

電阻器 R1 是一個(gè)高阻值電阻器，通常為 1M 歐姆，如果交流電源突然斷開(kāi)并且不能依靠負(fù)載來(lái)排出電荷，則用于使 CX 放電，從而在交流連接器引腳上留下潛在的危險(xiǎn)電壓。IEC 62368-1 等針對(duì) ITE 和媒體設(shè)備安全的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng) CX > 300nF（納法拉）時(shí)，R1 應(yīng)在兩秒后將電容器放電至低于 60V，而當(dāng) CX < 300nF 時(shí)允許使用更高的電壓。同樣，對(duì)于只有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員才能使用的設(shè)備，允許的電壓限制更高。

但其他標(biāo)準(zhǔn)不同。例如，醫(yī)療設(shè)備的 IEC 60601-1 要求一秒后放電至低于 60V，但如果 CX 低于 100nF，則沒(méi)有要求。IEC 62368-1 等標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)電阻器提出要求，如果電阻器安裝在保險(xiǎn)絲之前，則電阻器必須能夠承受瞬態(tài)電壓，電阻偏差不超過(guò) 10%。因此，電阻器 R1 將是高規(guī)格部件。在某些應(yīng)用中，R1 在正常條件下消耗的功率可能會(huì)限制其符合美國(guó)能源部 (DoE) 和歐洲 ErP 指令等機(jī)構(gòu)規(guī)定的待機(jī)或空載損耗限制的機(jī)會(huì)。

圖 1 中所示的保險(xiǎn)絲可以包含在模塊化濾波器中，特別是面板安裝類型，例如流行的 IEC320-C14 類型。

在商業(yè)應(yīng)用中，線路中的單個(gè)保險(xiǎn)絲是正常的。如果熔斷器元件符合標(biāo)準(zhǔn)，則可以簡(jiǎn)化下游組件（如前面提到的 R1）的規(guī)格。某些應(yīng)用，例如醫(yī)療設(shè)備和 II 類 IT，需要將線路和中性線都熔斷，以防止意外連接反轉(zhuǎn)的可能性。在單個(gè)熔斷器的情況下，連接反向會(huì)使火線未熔斷，并在從火線到保護(hù)地短路時(shí)依賴上游熔斷器或電源斷開(kāi)中的斷路器。但是這些上游設(shè)備的額定電流值可能很高，以保護(hù)多個(gè)負(fù)載的接線，并且不能保證在設(shè)備故障時(shí)快速斷開(kāi)，從而可能導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)。雙熔斷確實(shí)有缺點(diǎn)，但是，

選擇過(guò)濾器

過(guò)濾器的機(jī)械格式是選擇過(guò)程的自然起點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用要求，機(jī)械變體可用作 IEC 入口，采用螺釘或卡扣式安裝，可選擇開(kāi)關(guān)和無(wú)熔斷器、一個(gè)或兩個(gè)熔斷器。IEC 入口類型的 C14 額定值為 10A，C20 額定值為 16A，底盤(pán)安裝部件的額定電流為 20A 或更高。機(jī)箱安裝濾波器通常具有 6 面屏蔽并直接固定到導(dǎo)電接地金屬制品，可提供非常有效的 EMI 衰減。

對(duì)于所有類型，醫(yī)療版本都可用，它省略了 Y 電容器以將泄漏電流降低到通常最大 5 μA。這種省略必然意味著共模衰減減少，可能需要在其他地方進(jìn)行補(bǔ)償，例如通過(guò)級(jí)聯(lián)濾波器。

在給定最低輸入電壓和負(fù)載功率因數(shù)的情況下，可以根據(jù)負(fù)載功率要求輕松計(jì)算濾波器的額定電流需求。例如，在 90 VAC 下，功率因數(shù)為 0.9 的濾波器上的負(fù)載為 200 W，將消耗 200 W/ (0.9 x 90 VAC) = 2.47A 的電流。在這種情況下，可以選擇 3A 級(jí)濾波器。

選擇濾波器所需的衰減最好通過(guò)在未安裝濾波器的情況下測(cè)量系統(tǒng)性能來(lái)完成，然后計(jì)算需要從外部濾波器中獲得多少才能滿足規(guī)格要求。濾波器數(shù)據(jù)表中的衰減曲線將給出濾波器性能的指示，但請(qǐng)記住，數(shù)據(jù)表性能是在指定的測(cè)試條件下，通常為 50 歐姆源和負(fù)載阻抗。盡管可以使用線路阻抗穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò) (LISN) 對(duì)交流電源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但應(yīng)用負(fù)載可能與數(shù)據(jù)表的測(cè)試條件有很大不同。

與 AC-DC 電源中的內(nèi)部濾波器級(jí)聯(lián)的濾波器模塊也會(huì)導(dǎo)致意想不到的結(jié)果，發(fā)生潛在的共振甚至?xí)?dǎo)致臨界頻率處的 EMI 放大。例如，EMI 圖取自 XP Power 的典型 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，部件 PBR500PS12B，在 230 VAC 和 180 W 下運(yùn)行，如圖 3所示。該圖顯示了對(duì)準(zhǔn)峰值檢測(cè)的 EN 55032 曲線 B 排放限制線的良好符合性。然后將濾波器插入交流線路 XP Power FCSS06SFR，產(chǎn)生的衰減特性如圖4所示。虛線為差模，實(shí)線為共模衰減?？偟慕M合結(jié)果在圖 5 中給出。

圖 3： 此帶有內(nèi)部濾波器的 AC-DC 電源的 EMI 曲線顯示很好地符合輻射限制。

圖 4： XP FCSS06SFR 型模塊化濾波器的 EMI 圖顯示了差模和共模衰減。

圖 5：添加了圖 4 的外部濾波器的圖 3 的 AC-DC 電源在 10 MHz 以上的總衰減比預(yù)期的要小，這表明需要進(jìn)行確認(rèn)測(cè)量。

可以看出，直到 1 MHz 左右，濾波器衰減降低了預(yù)期的發(fā)射量，但在 10 MHz 及以上，改進(jìn)不符合預(yù)期，這表明模塊化濾波器沒(méi)有“看到”50 歐姆在這些頻率處終止。它的衰減低于預(yù)期。這一結(jié)果證實(shí)了進(jìn)行實(shí)際測(cè)量以確認(rèn)合規(guī)性的必要性。

咨詢專家

在最早階段獲得正確的 EMC 合規(guī)性對(duì)于避免在最終產(chǎn)品測(cè)試中出現(xiàn)代價(jià)高昂的故障至關(guān)重要。然而，解決方案并不是簡(jiǎn)單地在 AC 入口處使用超大的模塊化濾波器，這會(huì)增加不必要的成本，甚至?xí)蛞馔獾乃p結(jié)果而適得其反。相反，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該執(zhí)行測(cè)試并進(jìn)行測(cè)量，以確定其應(yīng)用的實(shí)際濾波器需求。XP Power 等電源制造商可以提供幫助，提供一系列帶有模塊化濾波器的 AC-DC 電源產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有專為 ITE、工業(yè)和低泄漏醫(yī)療應(yīng)用等量身定制的版本。有些甚至為客戶提供全面的設(shè)計(jì)應(yīng)用支持和免費(fèi)使用其內(nèi)部 EMC 預(yù)一致性測(cè)試設(shè)施。

審核編輯：劉清