開關(guān)電源中EMI濾波器組件的原理分析

電源框圖

您的項(xiàng)目現(xiàn)已進(jìn)展到需要選擇內(nèi)部AC-DC和DC-DC電源的階段。在上一個(gè)項(xiàng)目中，您選擇了帶內(nèi)部EMI和EMC組件的電源，但在本項(xiàng)目中，您所需的電源需要外部EMI和EMC組件。在這篇討論文章中，我們將幫助您了解為什么需要不同的組件以及如何選擇這些組件。我們不會(huì)探討EMI和EMC的細(xì)枝末節(jié)，我們的基本理念是“不會(huì)損害其他系統(tǒng)”和“在存在外部電氣干擾的情況下正常運(yùn)行”。有關(guān)EMI和EMC的更詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱如下網(wǎng)頁：EMI和EMC電源有何區(qū)別？。

圖1中的電源框圖在之前的一篇網(wǎng)頁文章開關(guān)模式電源各模塊的工作原理中進(jìn)行了介紹和討論，本文將以此為基礎(chǔ)繼續(xù)展開討論。

圖1：AC-DC開關(guān)電源簡(jiǎn)化框圖

在上圖中，EMI/EMC濾波器顯示為電源輸入端的模塊。在實(shí)際操作中，如下圖2所示，一些EMI/EMC濾波器組件放置在電源的輸入端上，一些放置在電源的輸出端上，而另一些則放置在電源的輸入端和輸出端之間。

EMI/EMC組件可用于發(fā)揮以下功能：

盡量降低電源輸入或輸出端的輻射和傳導(dǎo)噪聲

盡量減輕電壓瞬變對(duì)電源輸入或輸出端施加的影響

盡量削弱首次在電源輸入端施加電壓時(shí)產(chǎn)生的輸入涌流

在電源出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)輸入電源和導(dǎo)體

圖2：外部EMI和EMC組件

電路保護(hù)組件

保險(xiǎn)絲

保險(xiǎn)絲用于保護(hù)電源和饋入電源的導(dǎo)體，并與電源的輸入端串聯(lián)放置。為保證有效防護(hù)，保險(xiǎn)絲和上游電源導(dǎo)體之間不應(yīng)有組件。保險(xiǎn)絲應(yīng)與非接地輸入端子串聯(lián)放置，以保證在保險(xiǎn)絲斷開時(shí)電源上沒有電壓。如果規(guī)格合適的保險(xiǎn)絲因輸入到下游電源的電流過大而斷開，則不僅應(yīng)更換保險(xiǎn)絲，而且下游電源也已損壞，應(yīng)當(dāng)予以修理或更換。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的電壓、電流、響應(yīng)時(shí)間和工作溫度選擇保險(xiǎn)絲。還要在一系列封裝選項(xiàng)中作出選擇（例如圖3中所示的選項(xiàng)），這有助于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3：保險(xiǎn)絲符號(hào)（左）和安裝方式（右）

金屬氧化物變阻器 (MOV)

金屬氧化物變阻器 (MOV) 放置在輸入端子之間，并用于吸收輸入電壓源可能產(chǎn)生的電壓瞬變。使用AC-DC電源時(shí)，輸入電壓源是交流電源線，因而可能需要借助MOV吸收瞬態(tài)電流沖擊產(chǎn)生的瞬態(tài)能量或交流電網(wǎng)遭受的其它損壞。MOV組件在正常運(yùn)行時(shí)具有高阻抗，而在電壓超過額定值時(shí)（在出現(xiàn)輸入瞬態(tài)電壓時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況）則會(huì)變?yōu)榈妥杩埂］斎氡ｋU(xiǎn)絲應(yīng)始終放置在MOV和輸入電源之間。如果MOV因瞬態(tài)輸入電壓而變?yōu)榈妥杩梗ｋU(xiǎn)絲就可能熔斷。應(yīng)根據(jù)可能施加到電源的工作電壓和瞬態(tài)能量選擇MOV。其他MOV保護(hù)組件可以采用齊納二極管、TVS（瞬態(tài)電壓抑制）二極管或GDT（氣體排放管）。

圖4：MOV符號(hào)（左）和電壓-電流關(guān)系（右）

輸入涌流的限制電阻器

EMI/EMC組件圖中標(biāo)記為R1的電阻器適用于AC-DC電源，用于限制首次對(duì)電源施加交流電壓時(shí)產(chǎn)生的輸入涌流。輸入涌流產(chǎn)生的原因是首次施加輸入電壓時(shí)大容量電容器發(fā)生了初始快速充電。如果沒有限流電阻器，輸入涌流就可能達(dá)到常規(guī)工作電流的100倍。數(shù)值較高的限流電阻器可以削弱輸入涌流，但可能會(huì)導(dǎo)致正常運(yùn)行出現(xiàn)無法接受的功率損耗。應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎選擇輸入涌流電阻器的結(jié)構(gòu)。電阻器必須能夠承受在輸入涌流流動(dòng)時(shí)爆發(fā)的高能量。繞線結(jié)構(gòu)電阻器通常是理想的輸入涌流限制電阻器選項(xiàng)。膜式結(jié)構(gòu)電阻器通常不適合處理大輸入浪涌能量。

圖5：輸入涌流的限制電阻器

一些設(shè)計(jì)會(huì)使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 電阻器作為輸入涌流限制電阻器。NTC電阻器在低溫時(shí)具有高電阻值，可有效限制輸入涌流。NTC電阻器因輸入電流的流動(dòng)而變熱之后，電阻值就會(huì)下降，并且與電阻器相關(guān)聯(lián)的功率耗散也會(huì)隨之下降。應(yīng)當(dāng)在電源關(guān)閉之后至重新接通輸入電源之前，為NTC電阻器留出充足的時(shí)間（幾十秒）進(jìn)行冷卻和恢復(fù)高阻抗。許多DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用不需要輸入涌流限制電阻器。如果輸入電壓相對(duì)較低（240 Vac的峰值輸入電壓為340 V）或輸入電源的源阻抗將限制最大可用輸入電流，則輸入涌流可能本身就會(huì)受到限制。

輸出瞬態(tài)電壓抑制

電源輸出端的TVS（瞬態(tài)電壓抑制）二極管有兩種不同的用途。在電源輸出端加入TVS二極管的常見原因是分流電源輸出端子上的外部源引起的電壓瞬變，從而保護(hù)電源。雖然MOV在電源輸入端通常具有類似用途，但電源輸出端的電壓以及電源輸出端發(fā)生瞬變時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)能量通常都比輸入端低，因此TVS二極管會(huì)是更合適的解決方案。如果還希望在電源的輸出端發(fā)生故障時(shí)抑制輸出電壓，可使用齊納二極管代替TVS二極管。應(yīng)當(dāng)注意，在這種情況下，齊納二極管需要耗散的功率可能大于電源的輸出功率額定值。齊納二極管的擊穿電壓將大于電源輸出電壓，而且在故障期間，電源輸送的電流很可能會(huì)大于額定輸出電流。

圖6：TVS符號(hào)（左）和電壓-電流關(guān)系（右）

EMI濾波器組件

差模扼流圈

標(biāo)有LDM的電感器與輸入電源通路串聯(lián)放置。該組件與輸入電容器CX形成低通LC濾波器，以減弱輸入導(dǎo)線上惱人的傳導(dǎo)噪聲電壓，避免將其傳送至外部電源。上述電感器的飽和電流規(guī)格必須足夠大，才能承受正常運(yùn)行期間的最大輸入電流。電感器在涌入啟動(dòng)電流浪涌時(shí)發(fā)生飽和是可以接受的。應(yīng)當(dāng)選擇DCR（寄生直流電阻）足夠低的差模電感器，這樣的電感器功耗才合格。

圖7：差模扼流圈

共模扼流圈

標(biāo)有LCM的雙繞組扼流圈是一種輸入共模扼流圈。共模扼流圈用于產(chǎn)生高阻抗，以減弱沿輸入導(dǎo)體流動(dòng)的共模電流。在示意圖中放置共模扼流圈時(shí)應(yīng)小心，確保各“點(diǎn)”的方向正確。這些點(diǎn)表示一對(duì)繞組的相對(duì)纏繞方向。這兩點(diǎn)無論是位于共模扼流圈連接的輸入端還是輸出端，都不重要，但這兩點(diǎn)都必須位于扼流圈的同一電氣側(cè)。差模扼流圈不需要以點(diǎn)標(biāo)示；因?yàn)槠渲兄挥幸粋€(gè)繞組，電流方向無關(guān)緊要。必須選擇共模扼流圈，才能在電源正常運(yùn)行期間處理最大電流并實(shí)現(xiàn)可接受的功率耗散。與差模扼流圈不同，共模扼流圈中在共模模式下流動(dòng)的電流非常少，因此通常不必?fù)?dān)心飽和電流額定值問題。

圖8：共模扼流圈

X安全級(jí)輸入電容器

位于輸入電源線兩端并標(biāo)有CX的電容器用于分流差模傳導(dǎo)電壓噪聲，使噪聲不會(huì)繼續(xù)流向外部電壓源。此電容器應(yīng)為X或Y安全級(jí)結(jié)構(gòu)。X和Y安全級(jí)電容器均設(shè)計(jì)為直接連接交流輸入線路，因此可以耐受可能出現(xiàn)的電壓浪涌。電容值越大，阻抗越低，就越能更好地分流惱人的噪聲，但也會(huì)增加AC-DC電源的輸入漏電流。許多交流電源系統(tǒng)需要滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中可能包括最大輸入漏電流限制，所以會(huì)限制并聯(lián)電容器中的電容量。

圖9：帶（上）和不帶（下）X電容器的EMI電流通路

Y安全級(jí)隔離電容器

放置在輸入和輸出端之間并在示意圖中標(biāo)有CY1的電容器用于減弱電源輸出端的共模電壓噪聲。由于這一電容器需橫跨隔離屏障，所以選用了Y安全級(jí)。Y安全級(jí)電容器采用開路失效設(shè)計(jì)，因此在電容器失效的情況下，能夠維持電源輸入至輸出端隔離的完整性。在一些應(yīng)用中，需要串聯(lián)放置兩個(gè)電容器，以便加強(qiáng)保障電源輸入和輸出端之間的隔離完整性。

需要電容器CY1的原因在于初級(jí)電路側(cè)開關(guān)晶體管引發(fā)的電壓波形，以及隔離磁性組件的初級(jí)和次級(jí)電路側(cè)之間的寄生電容（圖9）。電容器CY1應(yīng)放置在初級(jí)電路側(cè)開關(guān)FET的源極和隔離磁性組件的次級(jí)繞組端子之間。我們馬上就會(huì)討論到，隔離磁性組件的輸出端子之間具有大規(guī)格旁路電容器，因此具有同等的交流電勢(shì)。因此，電容器CY1的輸出端子可以連接到上述任一輸出端子。CY1的電容值選用顯著大于初級(jí)到次級(jí)寄生電容的電容值，以便在電源輸出端將共模電壓減弱到可接受的水平。應(yīng)當(dāng)注意，電容器CY1的值較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不利影響，將在電源的輸入與輸出端之間引起較大的交流漏電流。

圖10：初級(jí)電路側(cè)開關(guān)、隔離磁性組件和寄生電容

輸入大電容

原理圖中標(biāo)有C1的電容器直接跨過DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，放置在AC-DC電源的橋式整流器（和功率因數(shù)校正電路，如果有的話）后方。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，此電容器可作為輸入電荷儲(chǔ)存器，用于減弱輸入電流瞬變引起的輸入電壓干擾。這種電容器在AC-DC電源中的用途是過濾經(jīng)過整流的交流輸入電壓，并在移除交流輸入電壓時(shí)提供能量以維持輸出電壓。此前討論的輸入涌流限制電阻器用于限制此電容器初次充電時(shí)吸收的最大電流

輸出濾波

位于電源輸出端子上的濾波器組件可用于解決EMI和EMC問題，但它們通常放置在負(fù)載附近，并且選擇的組件值旨在將輸出紋波電壓降低到負(fù)載可接受的水平。為簡(jiǎn)單起見，許多電源應(yīng)用將L1替換為一個(gè)短回路。如前所述，電容器C2在電源輸出端子之間提供低阻抗AC通路，從而可以將CY1連接到電源的任一輸出端子。

圖11：輸出濾波器

EMC組件選擇

現(xiàn)在看來可能很明顯，選擇合適的組件來預(yù)防電源相關(guān)EMI和EMC問題并非難事，但有許多細(xì)節(jié)需要考慮。通常，最終選擇的組件和組件值都是在權(quán)衡性能、成本、尺寸和功率轉(zhuǎn)換效率之后的折衷選項(xiàng)。CUI等大多數(shù)電源供應(yīng)商都有客戶支持工程師，如果您在項(xiàng)目過程中需要，他們都會(huì)愿意提供額外的幫助。

審核編輯：黃飛

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