开关DC-DC转换器的EMI方案

在DC-DC转换器中的高频大功率开关可能产生干扰信号。输入电源线上的传导噪声可以差模或共模噪声电流形成出现。主要是低频的差模噪声，在基频开关频率和谐波频率呈现在输入电感上。共模噪声主要有高频分量，在转移器输入电感器和地之间量测，同样，在开关DC-DC转换器的输出包含某种噪声和纹波。恰当地设计和实现EMI(电磁干扰)滤波，可降低噪声到可接受的限度内。

　　在欧洲和美国，传导噪声发射由FCC和VDE标准的ClassA和 ClassB限定，在欧洲所有国家都要求家庭和工厂所用设备都要满足VDEClassB标准。在美国，FCC要求工厂用设备遵从ClassA，而家用设备要遵从更严格的ClassB标准。

　　降低输入噪声的EMI滤波器方案

　　现在大多数开关电源工作在100KHz~1MHz频率范围内，反射回电源的传导噪声谱的主要峰值对应基频开关频率及其谐波分量。传导发射标准(如EN55011，EN55022)规定在150KHz~30MHz频率范围内，从转换器或电源系统的输入反射到源的准峰值和平均限度传导噪声。为了遵守此标准，传导噪声谱中的所有峰值必须低于特定的限度。

　　元件和密封式滤波方案

　　EMI滤波器往往做在单封装中，图1示出其配置。EMI滤波器是一种通孔滤波器，有一个共模扼流图、Y电容器(线—地)，两个附加的电感器和一个X电容器(线—线)，z1提供瞬态保护。这种滤波器配置，提供足够的插入损耗来遵守Leve1-B传导发射限度。

尽管如此，在电源设计中，通常用电容器、电感和滤波器来降低或衰减共模和正态模式的传导噪声。

　　图2a左边图所示的48V输入DC-DC转换器的输入有一个差模电容器C1。这个单模电解电容器(120mF，100V)，用于确保低输入阻抗稳定和良好的瞬态响应。此电容器是转换器的能量储存器。为得到最大效益，此电容器必须尽可能地靠近模块的输入引脚。

　　图2b示出增加旁路电容器到变换器，这与差模电容器的组合是相当理想的，注意，在每个输入引脚的旁路电容器是连到基板(此处是地)，每个输出引脚连到基板。这些电容器是4700pF(100V)电解电容。

　　48V设计(100%负载)所产生的噪声比3.3V设计(50%负载)稍微大点。

　　图2c所示48V设计增加一个27μH差分电感器。

　　图2d所示电路增加一个共模扼流图。共模电图2d所示电路增加一个共模扼流图。共模电感器能加重电容器的能力。这是因为它对来自变换器的共模噪声能提供高阻抗，使噪声通过电容器这个最小阻抗通路到地。

　　有源EMI输入滤波器方案

　　电信中的传导EMI依从性做为DC-DC变换器中有源滤波器的一个重要应用已呈现出来。过去，传导EMI标准传导EMI测试和确认集中在离线AC输入电源。在2003年PICMG(PIC工控机制造者协会)批准电信板新的指标PICMG3.0(通称先进的电信计算结构ATCA)后发生了变化。此指标要求DC供电板满足传导EMI的EN55022限制。板上的滤波保证不同板之间的互操作性，并降低了每个设备机架所需的整体滤波量。

　　现在，电子业趋向于在更小的空间具有更多的功能的小器件。随着空间的减小，器件之间潜在的干扰，随着系统组装更多功能板和机架而增加。随着频率提高和电压电平下降，传导EMI的控制变成为一个更重要的设计任务。电信板不排除趋于在更密的封装中具有更高的性能。ATCA，PICMG3.0规范支持在标准19 ”机架内2.5Tb背板宽度。一个流行的ATCA机架在19×21×15英寸容积内，可以有14个板。

　　为了支持更高的性能，每个板可以用高达200W的DC电源。EMI依从性做起来更困难，因为每块板需要从-48Vdc输入提供自己的电源。砖式或分离变换器的板上DC-DC变换器在每个板上产生传导和辐射EMI。与密集的PCI相比，EMI控制变成一件困难的事情。

　　为使板到板，机架到机架的干扰最小，要求ATCA板为传导EMI提供板上滤波。PICMG3.0规定，每个板必须满足EN55022B传导噪声规范。采用板级滤波方法，可使板间干扰最小。同时，PICMG3.0也要求机架满足总的传导EMI标准。用“分布”滤波器控制板上EMI，其机架所需的滤波器可以更小。对于流行的ATCA机架所用滤波器需要支持60A DC电流。支持此电流的电感器是足够大，控制板上EMI有助于保持这些电感器尽可能小。

　　图3所示的有源EMI滤波器，在频率范围150KHz~30MHz(传导辐射标准EN55022所要求的)内，能衰减传导模式和差模噪声。用48Vdc总线(36~76Vdc)设计，共7A额定值支持多DC-DC变换器负载。

与无源方案相比，采用有源滤波器能减小共模扼流图的体积，提供一种低尺寸表面贴装器件。特别是有源EMI滤波器也减少了电感元件的尺寸，使EMI滤波器能封装在1×1×0.2英寸的封装中。较小的尺寸节省了宝贵的板面积、降低了高度，增加板应用中的气流，这有助于板设计师挽回一些EMI控制所需而失去的空间。有源滤波器的7A额定值很容易处理200W ATCA板所需的电流。

　　测试结果表明，有源滤波器把总传导噪声降低到低于所要求的限值是有效的。

　　多功能输入滤波器模块

　　一些DC-DC变换器供应商也提供AC-DC模块前端。这种器件具有多种功能，包括EMI滤波。例如，一个这样的模块是滤波器/自动调整整流器，此模块是提供EMI滤波、自动调整线路整流和启动电流限制。这使得设计师能满足各种标准的EMI要求。

　　降低输入噪声的EMI滤波器方案

　　开关DC-DC变换器在其输出也呈现有纹波和噪声。此输出噪声，通常称之为周期与随机偏差(PARD)，它是所有纹波和叠加电源DC输出上的噪声成份之和。开关DC-DC变换器的纹波和噪声电平为几十毫伏。

　　组合有源和无源滤波功能的输出纹波衰减器模块，负载高达20A时，可限制输出噪声小于3mV峰-峰值。这样的模块尺寸为2.28×2.4×0.5英寸，能在DC~20MHz频率范围内衰减低频输入电源的基波和谐波，其效率为93~99%。

　　另一种在单封装系统(SiP)中的输出纹波衰减器采用有源滤波，在1KHz~500KHz范围内，可降低电源输出纹波和噪声(PARD)超过30dB。这种结构改善了瞬态响应，并保证静态负载点调整。它用变换器的远程感测特性或器件的调节引脚来调整负载。