【導讀】在新冠肺炎疫情造成停工期間，我的車(chē)閑置了幾個(gè)星期，由于電子設備處于待機狀態(tài)，電池最終耗盡，導致汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。我去了一趟配件店，買(mǎi)了一個(gè)新的“智能”充電器，價(jià)格出奇便宜，我將其連接，然后就開(kāi)始等待效果。它確實(shí)起了作用，但也破壞了房子的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。盡管在該設備上發(fā)現了 CE 標志和一系列認證印章，但它顯然具有大量的射頻 (RF) 輻射，這是電磁不兼容的典型例子。
無(wú)論問(wèn)題是由輻射還是傳導發(fā)射引起的，充電器都必須符合已發(fā)布的強制性電磁兼容性(EMC) 標準。這些標準還包括對主電源諧波發(fā)射和“閃爍”的限制，以及對規定水平的磁場(chǎng)、電場(chǎng)和電磁場(chǎng)的抗擾性；線(xiàn)路浪涌和瞬態(tài)；以及靜電放電。全球使用的標準為 IEC 61000 系列。
您應該期望看到的濾波
充電器的設計者還有什么可以做得更好？首先看傳導發(fā)射，該產(chǎn)品作為開(kāi)關(guān)模式電源，可以產(chǎn)生線(xiàn)對線(xiàn)差模 (DM) 和線(xiàn)對地共模 (CM) 噪聲（圖 1）。DM 輸入噪聲通過(guò)線(xiàn)對線(xiàn)“X”電容器和串聯(lián)電感器衰減，因此，在尺寸和成本限制范圍內，可以輕松將足夠高的元器件值降至較低水平。設計者通常試圖將電容值保持在 100 nF 以下；然而，如上所述，元器件必須在規定的時(shí)間內放電到安全電壓，從而強制增加并聯(lián)電阻。此外，如果永久留在電路中，電阻器的恒定泄漏電流可能會(huì )使符合待機和空載損耗標準成為問(wèn)題。盡管電感器的值可以很高，但它們通過(guò)最大交流運行電流；因此，為了避免飽和，這些值有時(shí)必須實(shí)際上很高。在這方面，鐵粉或氣隙鐵氧體類(lèi)型就是典型的例子。
圖 1：AC/DC 轉換器輸入端的差模和共模噪聲
雖然對 DM 噪聲沒(méi)有直接的法定限制，但對 CM 噪聲有限制，并且 CM 的典型測試方法使用線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò ) (LISN)，符合多媒體設備的 CISPR 32 等所要求的標準。然而，LISN 也記錄了一半的 DM 噪聲，因此有充分的理由對其進(jìn)行衰減。來(lái)自線(xiàn)路和中性點(diǎn)接地的 CM 噪聲往往以電流源的形式進(jìn)入 LISN 的低 50 ohm 阻抗，而來(lái)自線(xiàn)路或中性點(diǎn)接地的“Y”型電容器提供了一個(gè)局部回流路徑，因此噪聲不會(huì )在外部循環(huán)，從而記錄在 LISN 中。然后，每條電源線(xiàn)上有一個(gè)耦合繞組的 CM 扼流圈，作為轉換器和電源之間的屏障。它可以使用高磁導率無(wú)氣隙鐵氧體，因為繞組與相位相關(guān)，所以運行電流會(huì )磁性抵消，為 CM 噪聲元件留下高阻抗。CM 扼流圈可以通過(guò)控制繞組之間的泄漏電感進(jìn)行纏繞，從而產(chǎn)生 DM 和 CM 衰減的組合。
瞬態(tài)濾波水平取決于安裝過(guò)電壓類(lèi)別
除了衰減發(fā)射，AC/DC 輸入濾波器還提供了對輸入過(guò)電壓的抗擾性，這些過(guò)電壓可以是高電壓、低能瞬變和突發(fā)，也可以是低電壓的浪涌。觀(guān)察到的水平取決于 I 至 IV 級（嚴重程度不斷增加）的安裝過(guò)電壓類(lèi)別 (OVC)（表 1）。
表 1：過(guò)電壓類(lèi)別的定義
充電器應至少符合 OVC II 標準，這通常需要添加輸入瞬態(tài)抑制器元器件，如壓敏電阻 (VDR)。相反，如果是 OVC IV，您會(huì )看到高能額定 VDR，可能還有多個(gè)氣體放電管。
此外，如果對充電器進(jìn)行了是否符合歐盟 EMC 指令的評估（如其 CE 標志所示），則充電器還必須不受特定水平的外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)和 RF 場(chǎng)以及靜電放電 (ESD) 的影響。此處輸入濾波不是解決方案，但良好的內部布局和設計實(shí)踐通常也有助于滿(mǎn)足發(fā)射限制。
設計從“集總”元器件開(kāi)始
任何開(kāi)關(guān)模式轉換器設計都可以從所選拓撲中的集總元器件開(kāi)始，并計算一階性能。但是，如果考慮到 EMC 因素，則必須使用“真實(shí)”而非“理想”元器件（圖 2）。元器件的高階或“寄生”特性通常會(huì )導致EMC 問(wèn)題。例如，這些可能是對地雜散電容導致 CM 噪聲電流，或者是連接的串聯(lián)電感導致輻射。甚至圖 2 中描述的真實(shí)元器件也很簡(jiǎn)單。通常，寄生值是非線(xiàn)性的，例如電容器 ESR 隨頻率劇烈變化。此外，一些寄生現象的特征存在不連續性。例如，MOSFET 總輸入電容根據開(kāi)關(guān)狀態(tài)在有效值之間交替變化。
圖 2：一階的“理想”元器件及其“真實(shí)”等同物
除了直流電阻（僅隨溫度變化）之外，即使是電線(xiàn)和軌道連接也具有隨頻率和材料變化的交流電阻。這是由于固有電感和導體中心渦流抵消引起的“趨膚效應”。根據經(jīng)驗，頻率為 f 的電流在銅導體中傳播的深度為 δ = 66/√f（圖 3）。例如，在 100 kHz 下直徑為 0.4 mm 的電線(xiàn)應不會(huì )出現趨膚效應。在大多數情況下，這是一個(gè)極其近似的值，但 δ 實(shí)際上是電流下降到 1/e 或總電流的 37%（非零）的深度，嚴格適用于正弦波（而不是轉換器設計中經(jīng)常觀(guān)察到的復雜交流波形）。
圖 3：由于“趨膚效應", 交流電流集中在導體外表薄層, 這取決于材料和頻率。
局部耦合效應
導致 EMC 問(wèn)題的兩個(gè)主要不利影響是信號的電感和電容耦合，這會(huì )導致傳導和/或最終輻射發(fā)射。來(lái)自電流階躍的感應電壓被量化為 E = -L.di/dt?，F代轉換器設計可以產(chǎn)生 1000 A/μs 的電流邊沿速率；因此，只有 10 nH 可以產(chǎn)生 10 V 電壓尖峰。這種電感只有幾毫米的走線(xiàn)或布線(xiàn)。
同樣，電流是通過(guò)雜散電容感應的 I = C.dV/dt，電壓邊沿速率可以達到 50 kV/μs，僅通過(guò) 10 pF 就產(chǎn)生 500 mA 的位移電流，這是變壓器隔離電容的典型值。
這些指的是電流和電壓脈沖。波形的基頻和低次諧波的穩定 RMS 值要小得多，并且是頻譜分析中 EMC 發(fā)射評估中記錄的值。RMS 值可以從開(kāi)關(guān)波形的傅立葉分析中獲得，然后從簡(jiǎn)單的阻抗計算（例如，E = 2πfL.i 或 V = i/2πfC）中獲得這些頻率下的電流和電壓。諧振轉換器使計算更加簡(jiǎn)單。
近場(chǎng)和遠場(chǎng)效應
在距離源很近的地方，很難量化場(chǎng)的影響。正如我們已經(jīng)看到的，改變電場(chǎng)或“E”場(chǎng)會(huì )通過(guò)雜散電容在導體中感應出位移電流，而改變磁場(chǎng)或“H”場(chǎng)會(huì )在導體中感應出電壓。這是在“近場(chǎng)”中，距離源 r 處的效應按比例減少到 1/r2 或 1/r3。在更遠的“遠場(chǎng)”中，這些效應轉化為組合電磁 (EM) 輻射，以 1/r 的速率下降。這是通過(guò)假設輻射是全向的而得出的結論。近場(chǎng)和遠場(chǎng)之間的邊界取決于源的物理尺寸 D 和波長(cháng) λ，盡管可以近似為：
對于源尺寸 <λ，r = λ/2π
對于源尺寸 >λ，r = 2D2/λ
關(guān)于典型的功率轉換器基本開(kāi)關(guān)頻率，源尺寸肯定小于波長(cháng)，并且 r 在幾十米的范圍內；因此，所有的局部效應都是近場(chǎng)效應。在高次諧波水平，例如在 GHz 量級，對于毫米大小量級的源，邊界在毫米范圍內。EM 輻射標準反映了這一點(diǎn)，規定的限值通常最高為 1 GHz，在相對較短的固定距離處測量。
電流耦合所起的作用
不必要的耦合可以是簡(jiǎn)單的電流耦合，即來(lái)自源的電流在連接中流動(dòng)，并降低過(guò)高的電壓，或者與其他電流路徑混合產(chǎn)生“串擾”。PCB 走線(xiàn)通常是罪魁禍首，并可能產(chǎn)生顯著(zhù)的直流電阻：35 μm (1oz) 厚的銅片，長(cháng) 10 mm，寬 1 mm，在 25°C 時(shí)電阻接近 5 mΩ，在 85°C 時(shí)電阻上升到 6 mΩ。電流流經(jīng)該電阻時(shí)產(chǎn)生的壓降會(huì )疊加到流經(jīng)同一連接的任何其他功率或信號電流上，從而可能導致干擾。走線(xiàn)對交流的阻抗更復雜，取決于與相鄰走線(xiàn)、接地層和其他元器件的距離。例如，如圖 4 所示，在材料相對介電常數為 εr，間隔為 H 的接地層或簡(jiǎn)單微帶線(xiàn)上，寬度為 W、厚度為 t的走線(xiàn)具有以下特性阻抗 Z0：
圖 4：具有特性阻抗 Z0 的 PCB
對于典型的 PCB，εr = 4，H = 0.76 mm，T = 35 μm；因此，1 mm 寬的銅質(zhì)走線(xiàn)將具有大約 65 ohm 的特性阻抗 Z0。該值非常重要，因為該值與走線(xiàn)中高頻電流的拉電流和灌電流阻抗之間的任何不匹配都會(huì )導致開(kāi)關(guān)邊沿出現振鈴現象。
過(guò)孔也并不完美
層之間的過(guò)孔也可以通過(guò)其寄生效應予以表征。如圖 5 所示，如果外徑為 D，內徑為 d，未填充，長(cháng)度為 T，則電感如下：
L = 2T(ln(4T/d) + 1)nH
同時(shí)，電容如下：
圖 5：過(guò)孔尺寸
對于典型的未填充過(guò)孔，這些值分別為 1.2 nH 和 0.33 pF。此外，直流電阻約為 0.5 mΩ，而熱阻約為 100°C/W。
有時(shí)，不可能理想地分離轉換器功率路徑中的電流。如圖 6 所示，經(jīng)典降壓拓撲就是這樣一個(gè)例子，其中公共接地點(diǎn)的“星形”連接為最佳連接，但由于電路的能量存儲和釋放階段有多個(gè)電流回路，因此其位置無(wú)法達到最佳。此外，反饋信號的最佳公共接地點(diǎn)不一定與功率路徑相同。
圖 6：帶星點(diǎn)接地的 DC/DC 降壓轉換器，實(shí)現最佳折中。
結論
本文涉及了實(shí)現功率轉換器中元器件和連接之間低交互所需的一些設計考慮因素，這可能有助于實(shí)現低傳導和輻射發(fā)射以及標準合規性。此外，我們還提供了一些現實(shí)生活中的寄生值，以便了解這些影響的規模。RECOM 最近出版的 EMC 知識手冊是本文的主要來(lái)源。至于電池充電器，拆卸后發(fā)現，盡管有金屬外殼，但沒(méi)有安全或 EMI 接地連接，沒(méi)有 VDR，沒(méi)有安裝“X”電容器的空間，扼流圈位置也被捆扎起來(lái)。也許設計者有讓產(chǎn)品通過(guò)資格認證的正確想法，但是削減成本的念頭還是蓋過(guò)了正確意圖。
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