【導讀】DC-DC轉換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可能會(huì )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(xiàn)）濾波器旨在在DC-DC轉換器之前使用，以減輕電磁干擾(EMI)。這些可定制或現成購買(mǎi)的前端濾波器可實(shí)現與供應商的開(kāi)關(guān)電源(SMPS)或DC-DC轉換器設計符合電磁兼容(EMC)監管標準，例如FCC、ETSI、CISPR、MIL-SPEC等。
這些現成貨的前端濾波器是基于電源轉換設備的電磁特征進(jìn)行定制設計的。然而，還必須考慮其他電氣(例如電壓尖峰、紋波)、機械(例如振動(dòng)、沖擊)和環(huán)境(例如高海拔)設計限制，以滿(mǎn)足軍用設備的需求。本文討論了前端濾波器的設計考慮因素和軍用設備DC電源模塊的測試要求。
什么是前端濾波器？
這個(gè)輸入濾波器的設計對于符合電磁兼容(EMC)標準和目標至關(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(kāi)關(guān)頻率)及其諧波的發(fā)射噪聲
開(kāi)關(guān)電源在電子設備中的使用越來(lái)越普遍，帶有豐富的頻譜內容，可能通過(guò)物理接觸傳導到電路的其他部分，并干擾附近敏感電路。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)速度的提高，噪聲成為一個(gè)越來(lái)越大的問(wèn)題，特別是當快速開(kāi)關(guān)的晶體管會(huì )引起電流流動(dòng)的中斷時(shí)(導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。
各種電壓調節器的噪聲源
DC/DC降壓變換器的輸入端具有快速開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)啟和關(guān)閉，導致電容器上的電流出現銳利的上升和下降沿(高di/dt)的間斷電流。這將導致基頻和幾個(gè)諧波(通常是低階諧波)不符合標準。在連續導電模式(CCM)下運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。在不連續導電模式(DCM)下，主要電流紋波更大。紋波將創(chuàng )建一個(gè)變化的信號，通過(guò)共同接觸的導體傳導到系統的其他部分。
EMI: 輻射和傳導的發(fā)射
通常，傳導的發(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(通常是50到300MHz)。然而，傳導和輻射的發(fā)射仍有重疊。在開(kāi)關(guān)電源中，電壓突波(高dV/dt)通常是輻射噪聲的來(lái)源。如前所述，傳導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，將在電源線(xiàn)和回路之間流動(dòng)；DM噪聲主導較低頻率。通常很難改變di/dt的行為，而不會(huì )從根本上改變電路。通過(guò)使用被動(dòng)低通EMI濾波器(例如R-C阻尼器、L-C、Pi節、T節等)來(lái)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，將在每個(gè)電源線(xiàn)和地面之間流動(dòng)。當CM電流耦合到長(cháng)導體或電纜中時(shí)，電纜可以作為天線(xiàn)，使CM噪聲在高頻率下更為突出。根據電纜長(cháng)度和導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。有效的布局設計可以大大抑制CM，例如將導體移動(dòng)到參考地面平面更近的位置，謹慎部署安全電容器，屏蔽連接的電纜束，或在CM電流路徑中放置CM電感線(xiàn)圈。CM電感線(xiàn)圈還提供了一個(gè)高阻抗串聯(lián)路徑，允許CM電流通過(guò)Y電容器形成EMI地面的分流路徑流出轉換器。
DM和CM都將對EMI做出貢獻，往往需要在設計EMI濾波器之前量化DM和CM噪聲成分以符合行業(yè)EMC標準。輸入EMI通常使用線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )(LISN)在待測設備(DUT)的輸入端以及頻譜分析儀進(jìn)行量化。
前端濾波器的設計考慮因素
通常，被動(dòng)EMI濾波是噪聲抑制的最常見(jiàn)方法；然而，當濾波器以不同的負載阻抗和SMPS的不同噪聲源終止時(shí)，這可能會(huì )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?；痉至亢颓皫讉€(gè)諧波的大小最大，并將對整體噪聲產(chǎn)生最大的貢獻，而高階諧波的振幅在頻率增加時(shí)會(huì )逐漸減小。濾波器抑制這些噪聲成分的能力也隨著(zhù)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(gè)突出的設計挑戰。
通常，大型被動(dòng)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計考慮。其他EMI濾波技術(shù)通常涉及主動(dòng)元件:其中一種技術(shù)是使用擴頻或抖動(dòng)來(lái)調制電源的開(kāi)關(guān)頻率，以減少在頻率域中發(fā)現的基頻和低階諧波的峰值。最終，采用的技術(shù)取決于SMPS的獨特噪聲特征以及設計成本、大小和監管限制。
除了符合EMC監管標準外，EMI濾波器還可以包含抑制從負載反射到SMPS輸入電源的高電流瞬變的能力。每個(gè)SMPS的預測瞬變特性將有所不同，因此通常需要自定義設計以充分抑制突波。這對于MIL-SPEC電源電子設備來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)額外的設計考慮因素。軍用設備將有一系列電氣、機械和環(huán)境設計考慮因素，這些考慮因素會(huì )使制造商從基礎開(kāi)始仔細設計電源電子設備--必須滿(mǎn)足材料篩選和電氣、機械和惡劣環(huán)境性能要求。
電源的常見(jiàn)軍用標準
MIL-STD-461為電氣設備設置了傳導和輻射發(fā)射限制，指導正確測量EMI。如果SMPS超出這些限制--它經(jīng)常會(huì )--它將需要EMI濾波器將其“帶回規格”。但是，選擇任何現成的EMI濾波器并不一定會(huì )導致電源突然符合標準要求；該設備可能會(huì )非常嘈雜，以至于將任何EMI濾波器附加到輸入端仍然會(huì )導致該部件失敗。MIL-STD-461的各種要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的電子設備通常會(huì )列出滿(mǎn)足特定CE、CS和RE要求的詳細信息。
EMI不是關(guān)于電子設備的正確性、可靠性和安全性的唯一考慮因素。電源還必須能夠在各種電壓條件下運行，包括反向極性、電壓尖峰和電壓突波。MIL-STD-1275E標準提供了要應用于28V電氣電源系統輸入的測試條件，以及預期的該設備的性能參數。這些系統預期將用于軍用地面車(chē)輛、民用越野車(chē)輛以及軍用和民用重型設備。
其他軍用標準--例如MIL-STD 704F關(guān)于飛機電力特性和DO-160G關(guān)于機載設備的標準--將規定環(huán)境條件和測試程序，以充分模擬各種電壓條件。MIL-STD-810標準包括設備將經(jīng)歷機械沖擊、振動(dòng)和高海拔的測試條件和要求。這也可能是確保供應在惡劣環(huán)境中的長(cháng)壽命和可靠性的必要考慮因素。軍用車(chē)輛和空中系統中運行的電源將可能需要滿(mǎn)足MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F、MIL-STD-461和MIL-STD-810的各個(gè)方面，以被認為適用于使用。P-Duke提供了一系列MCF軍規前端濾波器，可與選擇的DC/DC轉換器匹配，以滿(mǎn)足所有這些規格要求。
P-DUKE MCF系列
MCF系列提供EMI濾波和瞬態(tài)保護，以符合MIL-STD-461G標準中的傳導發(fā)射、傳導感受和輻射發(fā)射要求，眾多軍事標準中的浪涌/尖峰要求，以及MIL-STD-810（表2）中的高度/沖擊/振動(dòng)要求。
該系列具有主動(dòng)輸入過(guò)壓保護功能，可將最高持續時(shí)間為50ms的過(guò)壓限制在40V以下，吸收+/-250V的尖峰電壓，并配備內部保護電路（圖1）。
如圖2所示，該系列包括其他主動(dòng)保護功能，例如遠程開(kāi)/關(guān)控制、過(guò)載保護、輸出短路保護、反極性保護、開(kāi)機電流限制等。
在圖3中可以看到EMI性能得到了顯著(zhù)改善。在應用MCF濾波器之前和之后測試了200W HAE200 DC/DC轉換器的EMI性能。這大大降低了定制EMI濾波器和外圍電路的成本和設計工作量。MCF前端濾波器的額定功率高達250W，可用于廣泛的軍用設備。
MCF濾波器可簡(jiǎn)化集成到軍用系統中
EMI濾波器不能僅僅是隨意選擇，以使電源符合標準，設計這些濾波器的過(guò)程可能非常復雜，非重復工程費用（NRE）很高。這在軍用設備中尤為如此，軍用車(chē)輛和飛機中的機載子系統由24V電池或28V發(fā)電機供電，對多個(gè)方面有嚴格要求，COTS設備和定制解決方案可能不可行。P-DUKE提供15W到250W的DC-DC轉換器，與相關(guān)的MCF前端濾波器配對，可滿(mǎn)足軍事要求的EMC和浪涌抑制。
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