AC-DC轉換器的模塊化EMI濾波器選擇

2020-09-15

模塊化AC線(xiàn)路濾波器經(jīng)常出現在終端設備中，無(wú)論是機箱安裝式還是Heading 5a連接器中不可或缺的設備，特別是在ITE，醫療保健和工業(yè)電子設備等環(huán)境中。濾波器的目的是衰減電源，內部電子設備，高速數據線(xiàn)等的組合所產(chǎn)生的源自設備的輻射。

內部電源通常單獨滿(mǎn)足法定排放標準，通常為EN 55011 / EN 55032，那么為什么需要額外的過(guò)濾器？兼容組件不一定能保證兼容系統。如果有多個(gè)AC-DC轉換器，則它們的發(fā)射可能會(huì )增加。此外，還將在特定的特定條件下測試AC-DC，這些條件包括：交流線(xiàn)阻抗，部件相對于接地平面的負載，方向和位置，設置的長(cháng)度和電纜的布線(xiàn)以及無(wú)源負載。安裝在設備中的轉換器不會(huì )看到這些相同的條件，并且排放可能更高。與終端設備電源插座的連接也可能吸收來(lái)自其他系統組件的輻射，從而增加了傳導干擾。

符合EMI要求可能需要其他濾波器

一種典型的解決方案是安裝在設備電源入口連接器中或附近的模塊化過(guò)濾器。為了獲得最佳性能和成本，從眾多可用濾波器中進(jìn)行選擇并不是一件容易的事，因此為幫助起見(jiàn)，讓我們考慮一種典型的濾波器布置，并研究每個(gè)組件的功能。（圖1）。

圖1：典型的模塊化EMI濾波器電路

CX衰減差模噪聲

CX衰減差模噪聲，即從線(xiàn)路到中性線(xiàn)的噪聲。它是額定值為“ X”的電容器，根據環(huán)境的“過(guò)電壓”等級，它可以承受指定的交流線(xiàn)路瞬變。根據EN 60384-14，它可提供X1，X2或X3類(lèi)型，其峰值額定工作電壓分別為4kV，2.5kV和1.2kV。如果電容器由于應力而短路，則有引發(fā)火災的危險，因此該組件必須經(jīng)過(guò)安全機構認證。

CX的電容值

CX的電容值可能很高，僅受實(shí)際考慮限制：當AC線(xiàn)被下游電路或R1斷開(kāi)連接時(shí)，它必須在規定的時(shí)間內放電，以避免連接器引腳上殘留潛在的危險電壓。根據ITE和媒體安全標準EN 62368-1，如果CX大于300nF，則在兩秒鐘后，限制將小于60V，對于小于300nF的值或在只有經(jīng)過(guò)培訓的人員才能使用的環(huán)境中，才可以使用更高的電壓。

在醫療設備中，根據EN 60601-1，限值在一秒內為60V，但如果CX小于300nF，則沒(méi)有要求。

R1必須具有最高的連續線(xiàn)路交流電壓額定值，并且根據EN 62368-1，如果在保險絲之前安裝R1，它還必須承受不超過(guò)10％電阻值偏差的瞬態(tài)電壓。對于較大的CX值，R1必須具有較低的電阻才能達到放電時(shí)間規格，因此會(huì )產(chǎn)生大量連續功耗。當試圖滿(mǎn)足美國能源部和歐洲ERP指令定義的空載或待機損耗限制時(shí)，這可能會(huì )出現問(wèn)題。

L是一個(gè)“電流補償”雙繞組電感器，該電感器衰減通常由高開(kāi)關(guān)頻率電壓產(chǎn)生的共模噪聲，該高開(kāi)關(guān)頻率電壓通過(guò)內部電源電容將噪聲電流驅動(dòng)到地，再通過(guò)線(xiàn)路和中性線(xiàn)返回，從而將噪聲電流驅動(dòng)到地。如圖所示，從正常運行電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相抵消，并且線(xiàn)路和中性線(xiàn)上的“共模”電流都“看到”了高阻抗。

電容器CY

兩個(gè)電容器CY轉移了電流，因此電流在本地循環(huán)而不是通過(guò)交流電源。當運行電流場(chǎng)消除并防止鐵芯飽和時(shí)，L1可以是一個(gè)高值，但有時(shí)會(huì )故意降低繞組耦合以允許一些漏感，這有助于差分模式衰減，也許會(huì )降低CX的值。

兩個(gè)電容器CY也必須通過(guò)安全機構認證，因為如果一個(gè)電容器短路故障并且設備接地斷開(kāi)，則設備外殼可能帶電。即使沒(méi)有電容器故障，如果不小心斷開(kāi)了接地連接，也會(huì )對外殼產(chǎn)生足夠的“泄漏電流”以產(chǎn)生電擊，因此電容值受到限制，以提供最大的“接觸”和“外殼”泄漏電流根據適用的標準。在某些帶有硬線(xiàn)接地的工業(yè)區域，限值可能會(huì )達到毫安，在“心臟浮動(dòng)”醫療環(huán)境中，限值會(huì )低于10μA。電容器也根據交流電源等級來(lái)指定；Y1，Y2，Y3和Y4，用于最高8kV的峰值測試電壓。

保險絲

圖1中的保險絲通常包含在面板安裝的模塊化濾波器中，例如流行的IEC320-C14類(lèi)型（圖2）。一些標準要求僅將線(xiàn)路連接熔斷，而醫療和IT中的其他標準則要求將線(xiàn)路和中性線(xiàn)熔斷。使用單熔斷器時(shí)，如果輸入意外接反，則熔斷器處于零線(xiàn)，并在中性點(diǎn)和地線(xiàn)共用時(shí)被旁路，從而使保護依賴(lài)于上游熔斷器或斷路器，這可能是其他設備所共有的，因此具有高電流跳閘額定值。

流入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的設備的電流可能會(huì )引起火災。使用線(xiàn)路和中性保險絲時(shí)，現在涵蓋了反向電源。但是，如果中性線(xiàn)連接中的保險絲因諸如中性線(xiàn)到中性線(xiàn)過(guò)電流的故障而斷開(kāi)，則該設備顯然是“死線(xiàn)”，但內部存在帶電連接。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使中性保險絲的值比線(xiàn)路高一個(gè)步驟，這樣線(xiàn)路保險絲通常會(huì )先斷開(kāi)。

 

圖2：典型的熔斷式面板安裝EMI濾波器

模塊化過(guò)濾器的選擇模塊化過(guò)濾器有多種機械格式可供選擇。機箱安裝類(lèi)型通常帶有六面屏蔽，可直接固定到接地的機箱，在短線(xiàn)連接保險絲和入口連接器的情況下非常有效。帶內置過(guò)濾器的IEC入口連接器是螺釘安裝或卡入式安裝的常見(jiàn)選擇，根據應用環(huán)境可使用一個(gè)或兩個(gè)保險絲。C14類(lèi)型的額定電流為10A，C20類(lèi)型的額定電流為20A及更高。

 

圖3：AC-DC電源，僅內部濾波器

對于醫療應用，每種類(lèi)型的版本都可以不帶“ Y”電容器，最大泄漏電流通常為5μA。這減少了共模噪聲衰減，例如，級聯(lián)濾波器可能需要允許這種共模噪聲衰減。

負載功率設置濾波器的額定電流，以實(shí)現最低的輸入電壓和負載功率因數。例如，對于300W的負載，功率因數在最小為90VAC時(shí)為0.8，則電流消耗為300 /（0.8 x 90VAC）= 4.16A，建議使用額定值為5A的濾波器。

模塊化濾波器已經(jīng)發(fā)布了隨頻率變化的衰減圖，可以在不使用濾波器的情況下通過(guò)測量性能來(lái)初步選擇一種類(lèi)型，然后從目標中減去該值以得到所需的濾波器衰減。濾波器的性能數據是在特定測試條件下進(jìn)行的，通常具有50歐姆的源阻抗和負載阻抗，因此實(shí)際上衰減取決于端電路。

交流電源阻抗可以使用線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )（LISN）進(jìn)行標準化，但負載可能與50歐姆非常不同，隨頻率變化甚至呈現負增量阻抗。還存在與其他串聯(lián)濾波器發(fā)生諧振而導致意外結果的危險，甚至會(huì )放大而不是衰減特定頻率下的EMI。

作為實(shí)驗，繪制了XP Power PBR500PS12B型AC-DC轉換器在230VAC和180瓦負載下的EMI性能，結果如圖3所示。該轉換器符合EN55032曲線(xiàn)B的排放限值，并具有良好的裕度作為標準要求的準峰檢測。添加了一個(gè)額外的濾波器，類(lèi)型為XP Power FCSS06SFR，其衰減特性如圖4所示。實(shí)線(xiàn)是共模和點(diǎn)線(xiàn)差模衰減。

 

圖4：XP FCSS06SFR模塊化濾波器

圖5給出了對發(fā)射的綜合影響圖，表明在大約1MHz的頻率下，總衰減（dB）為原始值加上濾波器值。但是，在幾個(gè)MHz以上，衰減比預期的要小。這是由于濾波器在高頻下無(wú)法“看到” 50歐姆的端接，從而降低了其衰減效果，并確認了進(jìn)行實(shí)際測量以確認符合發(fā)射限值的必要性。

 

圖5：添加了外部濾波器的AC-DC電源

手頭的幫助

模塊化EMI濾波器的類(lèi)型和性能是一個(gè)復雜的選擇，對于正確地避免在產(chǎn)品發(fā)布應該接近時(shí)在EMC測試中潛在的重新設計成本來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。大型過(guò)濾器的過(guò)度殺傷成本很高，甚至會(huì )適得其反，產(chǎn)生意想不到的結果。制造商XP Power提供各種濾波器來(lái)補充其AC-DC轉換器產(chǎn)品，并選擇IEC和機箱安裝格式的額定電流和衰減特性。版本適用于所有應用，包括醫療用低泄漏類(lèi)型，還有針對大電流和三相應用的更多計劃。多級濾波器也可用于增加衰減以及根據需要定制版本。