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用于DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 MIL-SPEC COTS EMC 輸入濾波器
DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作可能會引起不良的共模和差模噪聲，在頻譜的許多點(diǎn)上創(chuàng)建不可接受的干擾,。前端（或電力線）濾波器旨在在DC-DC轉(zhuǎn)換器之前使用，以減輕電磁干擾(EMI),。
DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作可能會引起不良的共模和差模噪聲,，在頻譜的許多點(diǎn)上創(chuàng)建不可接受的干擾。前端（或電力線）濾波器旨在在DC-DC轉(zhuǎn)換器之前使用,，以減輕電磁干擾(EMI),。這些可定制或現(xiàn)成購買的前端濾波器可實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)商的開關(guān)電源(SMPS)或DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計符合電磁兼容(EMC)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，例如FCC,、ETSI,、CISPR、MIL-SPEC等,。
這些現(xiàn)成貨的前端濾波器是基于電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的電磁特征進(jìn)行定制設(shè)計的,。然而，還必須考慮其他電氣(例如電壓尖峰,、紋波)、機(jī)械(例如振動,、沖擊)和環(huán)境(例如高海拔)設(shè)計限制,，以滿足設(shè)備的需求。本文討論了前端濾波器的設(shè)計考慮因素和設(shè)備DC電源模塊的測試要求,。
什么是前端濾波器,？
這個輸入濾波器的設(shè)計對于符合電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)至關(guān)重要。前端或輸入濾波器用于多種目的:
■抑制可能進(jìn)入電源第一階段的噪聲和突波,，
■降低基頻(即開關(guān)頻率)及其諧波的發(fā)射噪聲
開關(guān)電源在電子設(shè)備中的使用越來越普遍,，帶有豐富的頻譜內(nèi)容，可能通過物理接觸傳導(dǎo)到電路的其他部分,，并干擾附近敏感電路,。隨著開關(guān)速度的提高，噪聲成為一個越來越大的問題,，特別是當(dāng)快速開關(guān)的晶體管會引起電流流動的中斷時(導(dǎo)致電壓尖峰和高頻噪聲),。這些電流中斷可以在降壓變換器的輸入端，升壓變換器的輸出端,，以及反激和降升壓變換器的輸入和輸出端找到,。
各種電壓調(diào)節(jié)器的噪聲源
DC/DC降壓變換器的輸入端具有快速開關(guān)器件的快速開啟和關(guān)閉，導(dǎo)致電容器上的電流出現(xiàn)銳利的上升和下降沿(高di/dt)的間斷電流,。這將導(dǎo)致基頻和幾個諧波(通常是低階諧波)不符合標(biāo)準(zhǔn),。在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下運(yùn)行的升壓變換器將在其輸出端經(jīng)歷EMI，原因是需要快速反向恢復(fù)二極管,，雖然大大降低了功率損失,，但電流變化(di/dt)更加激進(jìn)，增加了EMI。在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)下,，主要電流紋波更大,。紋波將創(chuàng)建一個變化的信號，通過共同接觸的導(dǎo)體傳導(dǎo)到系統(tǒng)的其他部分,。
EMI: 輻射和傳導(dǎo)的發(fā)射
通常,，傳導(dǎo)的發(fā)射與30MHz以下的頻率相關(guān)，而輻射的發(fā)射通常落在30MHz以上的頻率范圍內(nèi)(通常是50到300MHz),。然而,，傳導(dǎo)和輻射的發(fā)射仍有重疊。在開關(guān)電源中,，電壓突波(高dV/dt)通常是輻射噪聲的來源,。如前所述，傳導(dǎo)EMI通常源自間斷電流(高di/dt),，可以分解為共模(CM)和差模(DM)噪聲,。
差模和共模噪聲
DM電流通常由di/dt主導(dǎo)，將在電源線和回路之間流動,；DM噪聲主導(dǎo)較低頻率,。通常很難改變di/dt的行為，而不會從根本上改變電路,。通過使用被動低通EMI濾波器(例如R-C阻尼器,、L-C、Pi節(jié),、T節(jié)等)來抑制間斷電流引起的振蕩,，可以降低di/dt。
CM電流通常是dV/dt的函數(shù),，將在每個電源線和地面之間流動,。當(dāng)CM電流耦合到長導(dǎo)體或電纜中時，電纜可以作為天線,，使CM噪聲在高頻率下更為突出,。根據(jù)電纜長度和導(dǎo)體之間的距離以及參考地面平面，意外回路的環(huán)路面積可能非常大,。有效的布局設(shè)計可以大大抑制CM,，例如將導(dǎo)體移動到參考地面平面更近的位置，謹(jǐn)慎部署安全電容器,，屏蔽連接的電纜束,，或在CM電流路徑中放置CM電感線圈。CM電感線圈還提供了一個高阻抗串聯(lián)路徑,，允許CM電流通過Y電容器形成EMI地面的分流路徑流出轉(zhuǎn)換器,。
DM和CM都將對EMI做出貢獻(xiàn),，往往需要在設(shè)計EMI濾波器之前量化DM和CM噪聲成分以符合行業(yè)EMC標(biāo)準(zhǔn)。輸入EMI通常使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)在待測設(shè)備(DUT)的輸入端以及頻譜分析儀進(jìn)行量化,。
前端濾波器的設(shè)計考慮因素
通常,，被動EMI濾波是噪聲抑制的最常見方法；然而,，當(dāng)濾波器以不同的負(fù)載阻抗和SMPS的不同噪聲源終止時,，這可能會證明困難。這些濾波器通常是各種排列的電阻,、電容和電感器,。基本分量和前幾個諧波的大小最大,，并將對整體噪聲產(chǎn)生最大的貢獻(xiàn),，而高階諧波的振幅在頻率增加時會逐漸減小。濾波器抑制這些噪聲成分的能力也隨著頻率的升高而增加,，因此,，在基頻和低階諧波處減輕噪聲是一個突出的設(shè)計挑戰(zhàn)。
通常,，大型被動濾波器可以減輕低頻發(fā)射,；但是，由于其寄生性質(zhì)(例如電容的等效串聯(lián)電阻和電感以及電感的并聯(lián)電容),，高頻發(fā)射可能需要額外的設(shè)計考慮,。其他EMI濾波技術(shù)通常涉及主動元件:其中一種技術(shù)是使用擴(kuò)頻或抖動來調(diào)制電源的開關(guān)頻率,，以減少在頻率域中發(fā)現(xiàn)的基頻和低階諧波的峰值,。最終，采用的技術(shù)取決于SMPS的噪聲特征以及設(shè)計成本,、大小和監(jiān)管限制,。
除了符合EMC監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)外，EMI濾波器還可以包含抑制從負(fù)載反射到SMPS輸入電源的高電流瞬變的能力,。每個SMPS的預(yù)測瞬變特性將有所不同,，因此通常需要自定義設(shè)計以充分抑制突波。這對于MIL-SPEC電源電子設(shè)備來說無疑是一個額外的設(shè)計考慮因素,。設(shè)備將有一系列電氣,、機(jī)械和環(huán)境設(shè)計考慮因素，這些考慮因素會使制造商從基礎(chǔ)開始仔細(xì)設(shè)計電源電子設(shè)備--必須滿足材料篩選和電氣,、機(jī)械和惡劣環(huán)境性能要求,。
電源的常見標(biāo)準(zhǔn)
MIL-STD-461為電氣設(shè)備設(shè)置了傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限制，指導(dǎo)正確測量EMI,。如果SMPS超出這些限制--它經(jīng)常會--它將需要EMI濾波器將其“帶回規(guī)格",。但是,，選擇任何現(xiàn)成的EMI濾波器并不一定會導(dǎo)致電源突然符合標(biāo)準(zhǔn)要求；該設(shè)備可能會非常嘈雜,，以至于將任何EMI濾波器附加到輸入端仍然會導(dǎo)致該部件失敗,。MIL-STD-461的各種要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的電子設(shè)備通常會列出滿足特定CE,、CS和RE要求的詳細(xì)信息,。