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1、白皮书 电源组件设计领域的电源组件设计领域的 实际实际 EMIEMI 控制控制 作者：David Bourner 图图 1 1： 开关电源系统的通用系统方框 图。母线上的 DC 电流用粗体 箭头表示。DC/DC 转换器一般 采用电流隔离 输入输出电源端口。 概要概要 控制开关模式电源系统中的电磁干扰 (EMI) 是一个永久性话题。本文旨在介绍将 Vicor 电源组件应用到客户应用的过程中控制传导发射的概念性问题。Vicor 已经开发 出能够显著降低设计噪声的准谐振拓扑。虽然在 SMPS 中使用谐振拓扑能显著降低噪 声，但没有哪个转换器是完全没有噪声的。采用一种能确保符合 CE 工程设计标准的方
2、 法应用电源模块，往往能防止意料之外的产品上市延迟带来的高成本。 1. 管理管理从概念从概念到到实施实施的的传导传导发发射射 1.1 介绍介绍 传导发射控制在电源系统设计开始时就必须考虑，必须在与完整应用的其它部分最终整 合之前妥善处理。使用的降噪方案必须按照电源及信号处理路径制定。系统实施通常应 接受一系列认证前测试。虽然这些测试带有主观性，但能快速产生结果，说明最终产品 是否为成功通过认证做好了充分的准备。我们寻求的最低发射水平低于代表合格性能的 水平。 1.2 嵌入式电源组件的模型嵌入式电源组件的模型 在图 1 所示的方框图中，作者意在展现电源系统的全部特性，这些特性所能满足的范 围已经
3、超越了简单 DC 输入输出电源规范的要求。采用这种方法确定电源支持功能， 有助于我们了解这些不同功能之间的权衡取舍与相互作用。了解所需功能之间的相互作 用，有助于设计人员采用可高效满足最终设计性能各个方面要求的设计顺序。 第 1 页 1.3 模型评述模型评述 在噪声环境中，模拟系统与数字系统分别被视为电气噪声的接收器和发送器。开关模式 电源转换器代表混合模式环境。控制器无论性质上属于数字还是模拟，都布置在开关电 源器件的旁边。电源组件为模块化：在很大程度上原始工程制造商 (OEM) 会用大量的精 力来降低模块内部噪声源的影响，有时会出现不同的结果。如果不加以处理，电源模块 的自有噪声通常会
4、非常大，足以影响信号发送，从而会影响对组件中电源的控制。 使用这样的产品实施系统涉及采用 OEM 厂商应在应用文献中提供的措施。引入适当的外 部组件并选择将其部署在可产生最低寄生现象的电路板布局中，能够降低模块自身的噪 声。这些组件会与印刷电路布局相互作用，也就是说噪声性能并不是能够自动确保的指 标。在几乎每个有这种规定的实例中，都会针对传导发射 (CE) 工程设计标准（例如 CISPR22 或 EN61000-4-6）提供参考。这两种标准内含清楚的定义和详尽的测试安排， 能够用于认证电源系统的发射及磁化率特征。 CE 标准主要针对传播至输入电源的传导电气噪声。降低出现在系统输入端的噪声可 使
5、用共模 (CM) 或差模 (DM) 滤波，也可使用二者的结合，就像针对输入电源端接的 CE 采用的措施一样。使用电源组件促进集成应用中的噪声控制设计也是可以的。虽 然一般不可能把所有抑制元件集成到一个电源组件中，但制造商会推荐使用最少的有 效外部措施，以达到最佳电路板布局的要求。由于客户正在使用的各类应用的性质， OEM 厂商的应用工程师经常被召唤去判断当前噪声控制策略是否得当，并让他们提出 抑制噪声办法的建议。本文将说明这样一个实例。 1.4 模型的应用模型的应用 为了使用图 1 说明重要的相互作用实例，输入电源母线的电感和位于 DC-DC 转换器输 入端的电容器（是保持或滤波功能的组成部分
6、）会与转换器带来的动态（负）输入阻抗 相互作用。这会导致输入电源母线的不稳定2。显然，选择保持电容器及其 ESR 是关 键。这些组件加上必要的浪涌和瞬态保护元件，会影响对从 DC-DC 转换器输入端到电源 的传导噪声的差分滤波。 除 DM 噪声外，还存在从转换器每个输入输出端口发射的 CM 噪声电流。控制这样的噪声 要求使用高度局部化的共模滤波组件。这些组件会为高频电流提供极小的环路，该环路的 形成是从电源端接出发，回头穿过耦合电容，经由专门设计的屏蔽面返回转换器。图 2 是 DC-DC 转换器的噪声等效电路，输入参考噪声电流源设定有 X、Y 电容器。 第 2 页 图图 2 2：采用差分及
7、共模电流源表示的 DC-DC 转换器的输入电源端口噪声等效电路，图中采用了噪声抑制 X、Y 电容器。这两个电容器安装并连接到底层屏蔽层，用于提供在低阻抗下 返回电源的高频率电容耦合（所 展示的 Cs1 和 Cs2 为集总等效 电路）。 2. 噪声控制噪声控制开发战略开发战略 全面的认证测试耗资又耗时。在结束设计投入生产前的开发预投产阶段，该过程应该只执 行一次。 同时，许多较为简单的测试可使用在实验室环境中从事硬件工作的大多数设计人员及技术 人员能得到的设备执行。可通过设置和定制噪声控制网络最大限度地降低噪声。这通常是 一个迭代过程，基于工程设计直觉以及对布局寄生现象的详细理解，从而可利用它们
8、为噪 声控制提供帮助8。 一开始就应该创建测试参考。必须通过运行一些“零信号”测试建立仪器仪表的噪声底 限并确定是否还有意料之外的、为系统提供能源的其它噪声来源。这些来源如果需要注 意，而且如果使用适度的措施能够消除它们，随后对实验工作台的屏蔽和接地稍加投资 即可。 一旦零功率输入配置文件得到保护和收集，就应该为具有已知特征的信号开发数据。 该测试数据集将用作后台模板，其可用于评估与应用的 CE 噪声配置文件有关的噪声 源。凭借示波器仪器及其所构建同轴探针的精确性，现在可将运行在宽带示波器上的 特色 FFT 处理用作传导噪声信号频谱的快速指示器。不仅可便捷快速地构建对不同 安排 CM 及 DM
9、 滤波有效性的回读，而且还可针对 CE 控制便捷地迭代拓扑以及分立 式组件的选择。 第 3 页 图图 3 3：显示噪声未抑制系统的基本 电源转换器及负载安排的方 框图 图图 4 4： 中间工作台设置显示了同轴接 地示波器探针， 在 Johnson 插孔的屏蔽笼适应件 外面的测量点设有屏蔽接 地触点。屏蔽接地面是固态铜 层。Y 电容器临时布局有所调 整，这样可获得更加理想的示波 器 采集噪声频谱。 图图 5 5： VTM 评估测试固定板边缘视 图。显示了 VTM OUT 端系 统的噪声参考电压点。 2.1 2.1 噪声控制评估噪声控制评估的的示例示例 图 3 中的方框图是使用 CE 控制元件
10、网络设置和增强的系统。为最大限度增强噪声控制， 针对组件技术选项和组件网络的理想布局（例如图 4 和图 5 中所示的设置）进行了一些 实验。在完成建立和测试噪声控制安排（如图 6 到图 9 所示）的迭代阶段后，客户就完 成了对其之前的不合规目标系统的全面认证测试，而且就完成了采用本文所述措施对其进 行的修改。可以确定的是已经稳固取得了系统的 CE 噪声配置文件，并且具有良好的裕度 可用8。 第 4 页 图图 6 6：PRM +IN 电源端的 未抑制 CE 噪声特征 图图 7 7：CE 噪声抑制安排概要。M-FIAM 是 一款滤波器及输入衰减器 模块，可根据 MIL-STD-461E 提供
11、CE 合规性。 图图 8 8： 适应噪声控制原型的部分视 图：查看为在 M-FIAM -IN 端测量 CE 而连接的探针。请 注意跨 VTM 隔离层顶部和底部 的“旁路式”Y 电容器（C4a、 C4b）安装在 VTM 评估板 的底部。 第 5 页 图图 9 9：在 28V DC 电源 + 极测 得的 CE 噪声抑制安排的结果。 其位置见图 8。 表表 1 1：受测系统的 DC 电源数值总结 3. 总结总结 本文概括了一种在电源系统设计开发早期时候解决功能设计并测试和提供 CE 噪声控制的 推荐方法。这就形成了一种可轻松效仿的范例。使用通常在大多数电子开发实验室环境中 提供的设备已成功演示了
12、采用这种方法所实现的降噪。 第 6 页 4. 参考资料参考资料 1 Vicor 应用手册 (AN:005)FPA 印刷电路板布局指南，作者：P Yeaman，2013 年 11 月 1.2 版 2 Vicor 应用手册 (AN:023)用于 VI 晶片 DC-DC 转换器模块的滤波器网络设计， 作者：Xiaoyan Yu，摘自Vicor 应用工程设计2012 年 8 月 3电源系统 CE EMI 拓扑评论。Vicor 内部文档 4电磁适应性介绍，作者：P Clayton，摘自Wiley InterscienceISBN- 13 978- 0471755005 5 电路设计人员指南，作者：T Williams，摘自EDN 设计工程师系列丛书第二版 Newnes，ISBN-13：978-0750663700 6 基础知识回顾 什么是 Y 电容器？，摘自Vicor 电源博客2013 年 6 月 5 日 7 电容器特性影响电源去藕，作者：D Bourner，摘自PCIM2001 年 5 月 8 CE EMI 拓扑评论，作者：D Bourner，摘自Vicor 内部报告 vicorpower.coappsvicorpowe页 7
