開關制式的DC-DC轉換器的簡易EMI方案

所有的 DC-DC 開關轉換器由于要盡量提高開關頻率和傳送功率，都會產生潛在的干擾信號，在輸入端的傳導噪聲，會以差?；蚬材Ｐ问匠霈F。差模噪聲是當電流通過輸入導體的基頻及其諧波時產生的，通常都處于低頻的。共模噪聲大多是高頻的，于轉換器的輸入導體及地線中間形成。同樣地，開關 DC-DC 轉換器會于輸出端產生噪聲以及紋波。適當的設計和設置 EMI 濾波會將噪聲減少至可接受程度。

在歐洲和美國，例如，傳導噪聲是按 FCC 和 VDE標準 A 級和 B 級 限制嚴格管理的。在歐洲，所有國家均要求家用電器和工業設備的傳導噪聲輻射應滿足 VDE 標準 B 級要求。在美國，工業設備的傳導噪聲輻射應滿足 FCC 標準 A 級要求，家用電器的傳導噪聲輻射應滿足更嚴格的 FCC 標準 B 級要求。

減少輸入端噪聲的 EMI 濾波方案

現時多數的開關電源的開關頻率在 100 kHz 至1 MHz 之間。通常反射到電網之傳導噪聲頻譜上的主要尖峰來自開關頻率之基頻及其諧波分量。

一些傳導排放標準，如 EN55011 及 EN55022 設定轉換器及電源系統反射到電網的準峰值及平均值；反射傳導噪聲需要在限制 150 kHz 至 30 MHz間。要符合這些要求，所有高峰頻譜上的傳導噪聲，必須低于規定的限度。

濾波方案的組件及封裝

EMI 濾波器經常被設置在一個單獨封裝內(如圖1 的配置)。一般的 EMI 濾波器是穿孔式的，帶上共模扼流圈和 Y電容 (線到地)，再加兩個電感器和 X電容 (線到線)。瞬變保護由 Z1 負責。這結構的輸入損耗足以符合級別B 傳導排放標準。

圖1 – 符合EN55022級別B標準的EMI濾波器

然而，一般的電源設計都加上電容、電感及濾波器來減少或衰減共模和常模傳導噪聲。首先，加上個別組件或濾波器對噪聲譜的影響，顯示了一個全共模濾波器導致的結果。它們的效果可以在噪聲頻譜上顯示出來。

圖2a 的左邊顯示一個 48 V 輸入 DC-DC 轉換器，在輸入端接上一個差模電容 C1 (120mF，100 V)。用以保持低輸入阻抗，穩定電壓和提升瞬變反應。它為模塊儲能。愈靠近輸入端，其效果更佳。

現在，以一個模塊加一個電容器作為開始的基礎。圖2a 右邊的圖譜；顯示了一個 48 V 輸入，150 W滿載工作的 DC-DC 轉換器連接差模電容后的噪聲諧波含量，及按級別 A 和 B 要求的 EMI 和諧波標準。如果只加上差模電容；轉換器明顯不能滿足要求。因為電源元件不是為配合任何指定的 EMI標準而設計的。

圖2b 顯示加上旁路電容及差模電容的情形。注意每個接在輸入端上旁路電容是與基板接地的，而每個接在輸出端上旁路電容是與基板連接的。通常的電解電容值是 4700 pF，100 V 的 Y電容。噪聲水平雖仍未能達到標準，但已有很明顯的改善。

相對于 3.3 V、半載，48 V 輸入、滿載應用所產生的噪聲較高，但從圖2b 的圖譜顯示，已經有明顯的改善。

就算加上一個 27 mH 的差模電感 L1 (圖2c)，低頻噪聲仍達不到級別B 的標準。

圖2d 顯示加上共模扼流圈后的情況。由于共模扼流圈也具差模電感，可取代差模扼流圈。共模電感加強了 Y電容的能量。這是由于共模扼流圈對轉換器產生之共模噪聲形成高阻抗，使噪聲沿著較低阻抗之路徑，經 Y電容傳到地。

圖2 - 48 V, 150 W DC-DC轉換器接上不同器件的噪聲頻譜。

a.差模電容 b.旁路電容 c.差模電感 d.共模濾波器 (去掉差模扼流圈)

48 V 轉換器的噪聲現時只是稍高過級別B 標準；需要再加上濾波器。而在 3.3 V 應用，加上一個共模濾波器后，不論是滿載或半載都完全符合級別B 的標準。

有源 EMI 輸入濾波方案

在通訊領域，對傳導 EMI 的規范更高，要符合要求，有源濾波器便幫上大忙。過往通訊儀器只要求離線及交流輸入電源達到 EMI 的測試和符合要求。PICMG 于 2003 年修定新標準；訂定 PICMG 3.0 或 Advanced TCA®。要求 DC 電路板的傳導噪聲必須達到 EN55022 B級的標準。每塊電路板都要加上濾波器濾掉噪聲，減少板與板，機架與機架的干擾，也減少每個機架的總直流噪聲。

同時，采用體積更細小的元件，或把多項功能集合在一起，已是電子業的發展趨勢。由于空間見小，系統必需把多項功能密集在電路板或系統內，器件之間的潛在干擾性便提升了。近代通訊應用，輸出電壓較以往低，工作頻率需要提高，對 EMI 噪聲的控制，便成為設計上更加重要的一環。通訊系統內的刀峰式設計，便要求結集多項功能在一塊板上，并且需要優良的性能表現。ATCA® PICMG 3.0 規格支持頻寬 2.5 Tb 的19” 機架。一個滿載的ATCA® 機架可載有14 塊電路板，體積是 19” x 21” x 15”。為要支持更多的功能，每一塊電路板可用上 200 W 功率電源。由于每塊電路板都需要由一個 48 Vdc 冗余輸入供電，要符合 EMI 標準就變得困難。由于每塊板上都帶電源，無論是采用磚式模塊或采用分立元件進行 DC-DC 轉換時，都會產生傳導和輻射噪聲。相對于以往的 compact PCI，功率轉換都在板外進行，處理刀峰式設備的 EMI 噪聲便非常棘手。

為了減少板與板，機架與機架間的噪聲干擾，ATCA® 要求在電路板上濾掉 EMI 傳導噪聲。PICMG 3.0 申明，每一塊電路板都需要符合EN55022 級別B 的傳導噪聲要求。透過電路板來達到濾波，使電路板之間的干擾減至*少。同時PICM 3.0 要求整個機架的 EMI 噪聲不能超標。在板上分散濾波方式，機架需要的濾波器較小。否則要處理整個 ATCA® 的機架；濾波器需支援差不多 60 A 電流。要足以應付這電流；電感器要求很大，在板上分散濾波，有助于減少對電容器的要求。

有源 EM I濾波器 (見圖3) 可衰減超過 150 kHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 (CISPR22) 要求。這有源濾波器的規格是 48 Vdc母線 (36 – 76 Vdc)，額定電流 7 A，可支持多種DC-DC 轉換器，電路板負載溫度達 60°F。

圖3 – 有源濾波器 (QP1標簽)與DC-DC轉換器的連接圖。

CIN及C1、C2、C3及C4的值通常由轉換器生產商建議。

與無源方案相比，這有源濾波器可減少共模扼流圈占用的空間，提供了一個體積細的表面貼裝器件。特別是有源 EMI 濾波器同時減少電感體積，令整個EMI 濾波器只有 1” x 1” x 0.2” 大小。細小體積減少占用電路板的空間，薄身更可讓空氣在組件上面流動，幫助散熱。有源濾波器的額定電流 7 A，足夠支持 200 W ATCA® 電路板。

圖4 顯示一個 DC-DC 轉換器連上有源濾波器之前與之后的噪聲測試圖。這連接是使用標準的測量技術，以及合符 CISPR22 的要求。結果顯示一個標準 DC-DC 轉換器的總噪聲低于 EN55022 級別B 準波峰檢測水平。測試圖證明了有源濾波器有效地濾掉傳導噪聲至低于所需標準。

圖4 – 一個DC-DC 轉換器連上有源EMI濾波器 (右邊) 與沒有濾波器 (左邊) 的傳導噪聲情況。

多功能輸入濾波模塊

有些 DC-DC 轉換器供貨商同樣提供 AC-DC 前端模塊，其中一些 AC-DC 元件附多項功能，如 EMI 濾波。例如，其中一個濾波及整流模塊便帶 EMI 濾波，自動調節整流及浪涌電流限制等多項功能，并能符合 Telcordia，FCC，ETSI 及歐洲標準對 EMI 的要求。

減少輸出噪聲的 EMI 濾波方案

開關 DC-DC 轉換器也在輸出端產生紋波和噪聲。這些輸出噪聲，通常又謂周期性及隨意性的偏差 (PARD)，也就是不論其性質或來源；是迭加在 DC 輸出的所有紋波及噪聲成份的總和。開關 DC-DC 轉換器通常表現出紋波及噪聲的水平在數十毫伏左右。

有一個輸出紋波衰減模塊結合了有源和無源濾波；在負載達 20 A 時可減少輸出紋波至小于 3 mV 峰-峰值。模塊尺寸是 2.8” x 2.4” x 0.5”，可衰減低頻的輸入基頻及諧波至 DC-20 MHz 的頻率范圍，效率達 93 - 99%。

另外有一款 SiP 封裝、有源濾波的輸出紋波衰減器(圖5)，在 1 kHz 至 500 kHz 范圍減少輸出端的紋波和噪聲 (周期性及隨意性的偏差) (PARD) 30dB 以上。這器件可用于大部份的開關電源，改善瞬態反應及保證凈潔的負載點穩壓。透過轉換器的遙感功能??調節引腳來實行負載穩壓。假如轉換器沒有遙感端或不適合使用時，調整功能會修正轉換器的輸出電壓；來補償濾波引至的余量電壓下降。濾波器的余量電壓的設置大大減少了轉換器輸出端所需的電容；提供等同的瞬變性能和減少紋波。

圖5 – 有源濾波的輸出紋波衰減器的正常表現

這元件是針對測試及量度、負載點分布電源、要求低噪聲電源的感應器，以及醫療儀器的應用而設計的。