【導讀】開(kāi)關(guān)模式電源轉換器的輸入和輸出通常會(huì )加電感電容濾波器以減少反射紋波電流和輸出噪聲，同時(shí)滿(mǎn)足EMC的輻射和敏感性限制。轉換器制造商有時(shí)會(huì )指定推薦濾波電感值，但是在整個(gè)頻率范圍內由不同元器件供貨商提供的相同標稱(chēng)性能的部件可能會(huì )有很大的性能差異，從而導致結果不佳并且增加傳導和輻射干擾。本文將探討電感性能的不同變化。
現如今大多數電源轉換器包括所有隔離式DC/DC轉換器都屬于“開(kāi)關(guān)模式”，這種模式下，外部DC電壓在高頻時(shí)被“斬波”后轉為AC供應給內部隔離變壓器。變壓器的AC輸出由占空比控制調節整流后回到DC，整個(gè)過(guò)程既高效損耗又低。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)過(guò)程中在輸入和輸出上會(huì )產(chǎn)生高頻紋波以及傳導和輻射噪聲尖峰，這些都會(huì )干擾其它設備。有一種趨勢是電源轉換器以更高的頻率和更快的轉換速率運行以提高效率，但由此產(chǎn)生的噪聲頻譜要寬得多。
LC濾波器可降低輸出噪聲
任何商用電源轉換器都有基本濾波將紋波和噪聲降低成約DC輸出的1%的典型峰峰值。通常這是可以接受的，但是如果應用比較敏感則需要較低的級別，而簡(jiǎn)單的解決方法是添加一個(gè)外部LC濾波器（圖1）。
圖1：外部LC濾波器可降低開(kāi)關(guān)模式電源的輸出紋波和噪聲
理論上電感阻抗在DC時(shí)為零，電容阻抗則為無(wú)窮大，因此所需的DC不會(huì )受到影響。但是隨著(zhù)頻率增加，電感阻抗ZL增大同時(shí)電容器阻抗ZC減小，從而產(chǎn)生越來(lái)越大的“分壓器”效應?？梢赃x擇濾波器角頻率來(lái)降低轉換器開(kāi)關(guān)頻率紋波，但噪聲尖峰是由高達數十MHz的頻譜組成， 因此對噪聲尖峰的衰減就比較難預測。
原因是在某些頻率下，當ZL和ZC的值相等時(shí)LC網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生“諧振”，噪聲被放大而不是減少，盡管這種影響會(huì )被負載電阻阻尼。以上諧振，仍有一些噪聲衰減，但其他寄生效應開(kāi)始出現。例如，電感器的自電容會(huì )產(chǎn)生另一種頻率高得多的共振。這個(gè)電容也比較容易讓噪聲繞過(guò)電感。高頻的時(shí)候因為“集膚效應”的關(guān)系，電感的磁芯損耗增加，電感器線(xiàn)的交流電阻也增加，電容的阻抗相對于等效串聯(lián)電阻(ESR)變小，電容開(kāi)始扮演電阻的角色。電容的等效串聯(lián)電感（ESL）也有高頻效應。如果LC濾波器的等效電路包括這些寄生組件，就會(huì )比較接近圖2。
圖2：具有寄生組件的外部濾波器
電感的寄生效應改變噪聲衰減性能
針對電路中涉及頻率的磁芯損耗的影響 ，采用LLOSS 1 ，2以及 RLOSS 1 ， 2是一種簡(jiǎn)單的建模方式；不同的LLOSS值會(huì )產(chǎn)生不同的阻抗，從而使不同的電阻組件RLOSS 1和2在不同的頻率產(chǎn)生影響。增加更多的LLOSS/RLOSS網(wǎng)絡(luò )能讓模型更加精確，但是很難參考電感的規格書(shū)來(lái)計算分量值，因此如果要一個(gè)完整的電感和磁芯模型可通過(guò)經(jīng)驗得到數值。圖3顯示了帶有和不帶有LLOSS/RLOSS網(wǎng)絡(luò )的濾波器衰減模擬圖，其中包括L和C及其寄生分量的假定值，顯示磁芯損耗對噪聲的高頻衰減有很大影響，在10MHz時(shí)相差了20 dB。不幸的是，磁芯損耗并沒(méi)有出現在典型的電感器規格書(shū)中，并且可能變化很大。
圖3：有無(wú)磁芯損耗的LC濾波器衰減對比圖
輸入EMC濾波器組件選擇
在選擇DC/DC轉換器輸入的EMC濾波器的商用電感時(shí)（圖4），電感制造商的規格書(shū)通常只提供電感、DC電阻以及個(gè)別諧振頻率的信息。盡管這可以使反射的輸入紋波衰減一定的量，但是如果沒(méi)有數據來(lái)定義寄生分量就很難預測噪聲尖峰及頻譜衰減。從輸出濾波器的分析可以看出，高頻效應（例如磁芯損耗）會(huì )再次對噪聲衰減產(chǎn)生極大的影響。電感制造商不會(huì )提供相關(guān)信息是可以理解的，因為變數多了。例如，磁芯損耗不但取決于波形交流分量的幅度及形狀，也取決于頻率、DC電流偏置以及溫度。
圖4：典型的DC/DC轉換器輸入EMC濾波器
因此很難選到理想的電感，在最壞的情況下可能會(huì )導致傳導和輻射噪聲水平超過(guò)操作或法定規定。甚至可能到最終產(chǎn)品進(jìn)行獨立EMC測試時(shí)才知道答案，但是此時(shí)做任何的變動(dòng)都會(huì )造成極高的成本。
如果有合適的測試設備，例如有天線(xiàn)和EMC室可用，則可以在電路中嘗試來(lái)自不同供應商的具有相同標題額定值的電感樣品，以檢查實(shí)際結果。大電感值似乎不錯但會(huì )降低諧振頻率，體積較小的元器件可能具有較高的DC電阻進(jìn)而導致電壓下降，具體取決于轉換器的負載和功率消耗。大電感還具有較大的自電容，因此減少了高頻衰減。最后要考慮的是大電感本身會(huì )在承受負載電流階躍時(shí)引起電壓尖峰。小電感搭配大電容也是選擇之一，但是如果考慮到成本和尺寸的問(wèn)題而使用電解類(lèi)型，它將不會(huì )有很好的高頻特性。其他類(lèi)型的，如陶瓷，在高頻方面很好，但對于高電容值來(lái)說(shuō)，價(jià)格昂貴且體積大。
正確的L和C組合會(huì )受到成本、尺寸和性能等因素影響。當選擇電感時(shí)，市場(chǎng)上就有了一個(gè)混亂的類(lèi)型選擇。包括鐵氧體、鐵粉芯，一些特殊的選擇例如多晶磁芯，然后有鼓形、環(huán)形和E型磁芯，以及也會(huì )影響性能的通孔或SMD安裝選擇。買(mǎi)家也會(huì )發(fā)現似乎相同電感規格和額定電流的器件，價(jià)格卻大不相同。
所提供的每個(gè)電感器適合特定的應用場(chǎng)合。鐵氧體的損耗最低但材料比鐵粉昂貴。鐵粉對過(guò)電流的耐受性也更高，比鐵氧體更能保持電感?！碍h(huán)形”或環(huán)形磁芯的磁場(chǎng)泄漏較小，但比鼓形或“線(xiàn)軸”磁芯更難纏繞和端接。因此設計、生產(chǎn)、EMC、采購和制程工程師都需要參與共同選擇最佳解決方案。
首選經(jīng)轉換器制造商驗證的解決方案
作為AC/DC和DC/DC轉換器制造商的RECOM了解選擇合適電感器的困難，因此提供了一系列可與大多數功率轉換器匹配的高性?xún)r(jià)比電感和推薦電容，而這些器件通過(guò)了他們的EMC室的傳導和輻射噪聲測試?？蛻?hù)可以利用經(jīng)驗證的一站式降噪解決方案的優(yōu)勢，節省時(shí)間、金錢(qián)，并有可能更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
參考文獻
[1] RECOM: www.recom-power.com
[2] Modelling ferrite core losses: http://ridleyengineering.com/design-center-ridley-engineering/39-magnetics/185-a03-modeling-ferrite-core-losses.html
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