AC-DC轉(zhuǎn)換器如何選擇模塊化EMI濾波器

模塊化AC線路濾波器通常出現(xiàn)在終端設(shè)備中，無(wú)論是安裝在機(jī)板上還是集成在連接器上，特別是在諸如通訊、醫(yī)療保健和工業(yè)電子等環(huán)境中的應(yīng)用。濾波器的目的是衰減由電源、內(nèi)置電子設(shè)備、高速數(shù)據(jù)線等組合而成的設(shè)備產(chǎn)生的輻射。

內(nèi)置電源通常自行滿足法定輻射標(biāo)準(zhǔn)，通常為EN55011/EN55032，為什么需要額外的濾波器？兼容組件不一定保證兼容系統(tǒng)。如果有多個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器，它們的輻射可能會(huì)增加。此外，一個(gè)AC-DC將在AC線路阻抗、負(fù)載、部件相對(duì)于接地平面的方向和位置的特定條件下進(jìn)行測(cè)試，包括設(shè)定長(zhǎng)度和電纜布線以及被動(dòng)負(fù)載。當(dāng)安裝于設(shè)備內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將不會(huì)看到這些相同的條件，輻射可能會(huì)更高。連接到終端設(shè)備電源插座也可能會(huì)接收到其他系統(tǒng)部件的輻射，從而增加傳導(dǎo)干擾。

EMI合規(guī)性可能需要額外的濾波器

典型的解決方案是安裝在設(shè)備電源插座連接器中或其附近的模塊化濾波器。為了獲得最 佳的性能和成本，從許多可用的濾波器中選擇并不是一件容易的事情，因此為了幫助您，讓我們參考一個(gè)典型的濾波器圖列并查看每個(gè)組件的功能。（圖1）。

圖1：典型的模塊化EMI濾波電路

CX衰減差模噪聲，即從線路到中性點(diǎn)的噪聲。它是一個(gè)“X”額定電容器，能夠承受特定的AC線路瞬態(tài)，這取決于環(huán)境的“過(guò)壓”等級(jí)。根據(jù)EN60384-14，可提供X1、X2或X3類型，峰值工作電壓額定值分別為4kV、2.5kV和1.2kV。如果電容器因應(yīng)力短路，有起火的危險(xiǎn)，所以元件必須經(jīng)過(guò)安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證。CX的電容值可以很高，僅受實(shí)際考慮的限制：當(dāng)AC線路被下游電路或R1斷開(kāi)時(shí)，它必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放電，以避免在連接器引腳上留下潛在的危險(xiǎn)電壓。根據(jù)通訊的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)EN62368-1，如果CX大于300nF，兩秒鐘后，限值小于60V，對(duì)于小于300nF的值，允許更高的電壓，或在只有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員才能進(jìn)入的環(huán)境中。在醫(yī)療設(shè)施中，根據(jù)EN60601-1，在1秒內(nèi)限制為60V，但如果CX小于300nF，則無(wú)要求。

R1必須額定為最 高的連續(xù)線路AC電壓，并且根據(jù)EN62368-1，如果安裝在保險(xiǎn)絲之前，它還必須承受不超過(guò)10%電阻值偏差的瞬態(tài)電壓。對(duì)于CX的較大值，R1必須是相對(duì)較低的電阻，以達(dá)到放電時(shí)間規(guī)范，從而產(chǎn)生顯著的連續(xù)功耗。當(dāng)試圖達(dá)到美國(guó)能源部和歐洲企業(yè)資源規(guī)劃指令規(guī)定的空載或備用損耗限制時(shí)，這可能會(huì)有問(wèn)題。

L是一個(gè)“電流補(bǔ)償”雙繞組電感器，它衰減共模噪聲，共模噪聲通常由高開(kāi)關(guān)頻率電壓產(chǎn)生，通過(guò)內(nèi)部電源電容將噪聲電流驅(qū)動(dòng)至地面，并通過(guò)線路和中性點(diǎn)返回。如圖所示，正常運(yùn)行電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，線路和中性點(diǎn)上的“共模”電流一起“看到”高阻抗。這兩個(gè)電容器會(huì)轉(zhuǎn)移電流，使其局部循環(huán)，而不是通過(guò)AC電源。當(dāng)運(yùn)行電流場(chǎng)抵消并防止磁芯飽和時(shí)，L1可以是一個(gè)高值，但有時(shí)故意減小繞組耦合以允許一些漏感，這有助于差模衰減，可能降低CX的值。

兩個(gè)電容器CY還必須經(jīng)過(guò)安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證，因?yàn)槿绻渲幸粋€(gè)發(fā)生短路故障，并且設(shè)備接地?cái)嚅_(kāi)，則設(shè)備外殼可以帶電。即使沒(méi)有電容器故障，如果接地連接意外斷開(kāi)，外殼也會(huì)有足夠的“漏電流”產(chǎn)生沖擊，因此根據(jù)適用標(biāo)準(zhǔn)，電容值被限制為提供最 大“接觸”和“外殼”漏電流。在一些帶有硬接線接地的工業(yè)區(qū)域，限值可能為毫安，在“心臟漂浮”醫(yī)療環(huán)境中，限值小于10微安。電容器也根據(jù)AC電源等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定；Y1、Y2、Y3和Y4，峰值測(cè)試電壓高達(dá)8kV。

圖1中的保險(xiǎn)絲通常包括在面板安裝的模塊化濾波器中，例如流行的IEC320-C14類型（圖2）。有些標(biāo)準(zhǔn)要求只有線路連接是熔合的，而醫(yī)療和通訊上的其他標(biāo)準(zhǔn)則要求線路和中性線都是熔合的。在單次熔斷時(shí)，如果輸入意外反轉(zhuǎn)，則保險(xiǎn)絲處于中性點(diǎn)，當(dāng)中性點(diǎn)和接地共用時(shí)，將被旁路，從而使保護(hù)依賴于上游保險(xiǎn)絲或斷路器，這些保險(xiǎn)絲或斷路器可能與其他設(shè)備共用，因此具有高電流跳閘額定值。進(jìn)入濾波設(shè)備的電流可能代表火災(zāi)危險(xiǎn)。線路和中性點(diǎn)熔斷，反向電源現(xiàn)在被覆蓋。但是，如果中性點(diǎn)連接中的保險(xiǎn)絲因線路對(duì)中性點(diǎn)過(guò)電流等故障而斷開(kāi)，則設(shè)備顯然是“死”的，但內(nèi)部有帶電連接。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使中性點(diǎn)保險(xiǎn)絲的值比線路高一步，這樣線路保險(xiǎn)絲就會(huì)首先正常斷開(kāi)。

圖2：典型的保險(xiǎn)絲面板安裝EMI濾波器

模塊化濾波器的選擇

模塊化濾波器可采用各種機(jī)械形式；機(jī)板安裝型，通常帶有直接固定在接地機(jī)板上的六面屏蔽，對(duì)于保險(xiǎn)絲和插孔連接器的短接線非常有效。帶內(nèi)置濾波器的IEC入口連接器是一種常見(jiàn)的選擇，可采用螺旋式或卡入式安裝，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境配備一個(gè)或兩個(gè)保險(xiǎn)絲。C14型額定電流為10A，C20型額定電流為20A及以上。

每種類型的版本都不帶“Y”電容器，可用于最 大漏電流通常為5μa的醫(yī)療應(yīng)用。這可減少共模噪聲衰減，例如，級(jí)聯(lián)濾波器可能需要允許共模噪聲衰減。

負(fù)載功率設(shè)置濾波器的額定電流，允許最 低的輸入電壓和負(fù)載功率因數(shù)。例如，對(duì)于功率因數(shù)為0.8、最 小90VAC，負(fù)載為300W，電流消耗為300/（0.8x90VAC）=4.16A，這表明需要一個(gè)5A額定濾波器。

模塊化濾波器已經(jīng)發(fā)布了隨頻率衰減的圖表，可以通過(guò)測(cè)量性能來(lái)選擇一種類型，而無(wú)需使用濾波器，然后將其從目標(biāo)中減去，得到所需的濾波器衰減。濾波器的性能數(shù)據(jù)是在特定的測(cè)試條件下得到的，通常有50歐姆的電源和負(fù)載阻抗，因此實(shí)際上衰減取決于終端電路。AC電源阻抗可以使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）標(biāo)準(zhǔn)化，但負(fù)載可能與50歐姆非常不同，隨頻率變化，甚至顯示負(fù)增量阻抗。另外，與其他串聯(lián)濾波器共振的危險(xiǎn)也會(huì)導(dǎo)致意想不到的結(jié)果，甚至在特定頻率下放大而不是衰減EMI。

作為實(shí)驗(yàn)，XPPower的PBR500PS12B型AC-DC轉(zhuǎn)換器的EMI性能在230VAC和180W負(fù)載下繪制，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，轉(zhuǎn)換器符合EN55032曲線B級(jí)輻射限值，具有良好的裕度，用于準(zhǔn)峰值檢測(cè)。增加了一個(gè)額外的濾波器，型號(hào)為XPPowerFCSS06SFR，衰減特性如圖4所示。實(shí)線是共模和虛線差模衰減。

圖5給出了對(duì)輻射的綜合影響圖，顯示了在大約1MHz的情況下，總衰減（單位：dB）是原始的加上濾波器值。但在幾個(gè)MHz以上，衰減比預(yù)期的要小。這是由于濾波器在高頻時(shí)沒(méi)有“看到”50歐姆的終端，降低了其衰減效應(yīng)，并確認(rèn)了實(shí)際測(cè)量的必要性，以確認(rèn)符合輻射限值。

圖3:AC-DC電源，僅限內(nèi)部濾波器

圖4:XPFCSS06SFR型模塊化濾波器

圖5：添加外部濾波器的AC-DC電源

模塊化EMI濾波器的類型和性能是一個(gè)復(fù)雜的選擇，對(duì)于在產(chǎn)品發(fā)布臨近時(shí)，在EMC測(cè)試中避免潛在的重新設(shè)計(jì)成本至關(guān)重要。使用大型濾波器過(guò)度殺戮成本高昂，甚至?xí)a(chǎn)生意想不到的結(jié)果。制造商XPPower可以提供幫助，擁有廣泛的濾波器補(bǔ)充其AC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，可以選擇IEC和機(jī)板安裝格式的電流額定值和衰減特性。版本可用于所有應(yīng)用，包括低漏類型的醫(yī)療，但更多計(jì)劃用于大電流和三相應(yīng)用。多級(jí)濾波器也可用于增加衰減以及根據(jù)需要自定義版本。

XPPower為其產(chǎn)品提供全面的應(yīng)用支持，并可以通過(guò)在全球各地免費(fèi)使用內(nèi)部EMC測(cè)試設(shè)施，協(xié)助客戶產(chǎn)品的預(yù)合規(guī)性測(cè)試。