AC-DC转换器的模块化EMI滤波器选择

2020-09-15

模块化AC線(xiàn)路滤波器经常出现在终端设备中，无论是机箱安装式还是Heading 5a连接器中不可(kě)或缺的设备，特别是在ITE，医疗保健和工业電(diàn)子设备等环境中。滤波器的目的是衰减電(diàn)源，内部電(diàn)子设备，高速数据線(xiàn)等的组合所产生的源自设备的辐射。

内部電(diàn)源通常单独满足法定排放标准，通常為(wèi)EN 55011 / EN 55032，那么為(wèi)什么需要额外的过滤器？兼容组件不一定能(néng)保证兼容系统。如果有(yǒu)多(duō)个AC-DC转换器，则它们的发射可(kě)能(néng)会增加。此外，还将在特定的特定条件下测试AC-DC，这些条件包括：交流線(xiàn)阻抗，部件相对于接地平面的负载，方向和位置，设置的長(cháng)度和電(diàn)缆的布線(xiàn)以及无源负载。安装在设备中的转换器不会看到这些相同的条件，并且排放可(kě)能(néng)更高。与终端设备電(diàn)源插座的连接也可(kě)能(néng)吸收来自其他(tā)系统组件的辐射，从而增加了传导干扰。

符合EMI要求可(kě)能(néng)需要其他(tā)滤波器

一种典型的解决方案是安装在设备電(diàn)源入口连接器中或附近的模块化过滤器。為(wèi)了获得最佳性能(néng)和成本，从众多(duō)可(kě)用(yòng)滤波器中进行选择并不是一件容易的事，因此為(wèi)帮助起见，让我们考虑一种典型的滤波器布置，并研究每个组件的功能(néng)。（图1）。

图1：典型的模块化EMI滤波器電(diàn)路

CX衰减差模噪声

CX衰减差模噪声，即从線(xiàn)路到中性線(xiàn)的噪声。它是额定值為(wèi)“ X”的電(diàn)容器，根据环境的“过電(diàn)压”等级，它可(kě)以承受指定的交流線(xiàn)路瞬变。根据EN 60384-14，它可(kě)提供X1，X2或X3类型，其峰值额定工作電(diàn)压分(fēn)别為(wèi)4kV，2.5kV和1.2kV。如果電(diàn)容器由于应力而短路，则有(yǒu)引发火灾的危险，因此该组件必须经过安全机构认证。

CX的電(diàn)容值

CX的電(diàn)容值可(kě)能(néng)很(hěn)高，仅受实际考虑限制：当AC線(xiàn)被下游電(diàn)路或R1断开连接时，它必须在规定的时间内放電(diàn)，以避免连接器引脚上残留潜在的危险電(diàn)压。根据ITE和媒體(tǐ)安全标准EN 62368-1，如果CX大于300nF，则在两秒(miǎo)钟后，限制将小(xiǎo)于60V，对于小(xiǎo)于300nF的值或在只有(yǒu)经过培训的人员才能(néng)使用(yòng)的环境中，才可(kě)以使用(yòng)更高的電(diàn)压。

在医疗设备中，根据EN 60601-1，限值在一秒(miǎo)内為(wèi)60V，但如果CX小(xiǎo)于300nF，则没有(yǒu)要求。

R1必须具有(yǒu)最高的连续線(xiàn)路交流電(diàn)压额定值，并且根据EN 62368-1，如果在保险丝之前安装R1，它还必须承受不超过10％電(diàn)阻值偏差的瞬态電(diàn)压。对于较大的CX值，R1必须具有(yǒu)较低的電(diàn)阻才能(néng)达到放電(diàn)时间规格，因此会产生大量连续功耗。当试图满足美國(guó)能(néng)源部和欧洲ERP指令定义的空载或待机损耗限制时，这可(kě)能(néng)会出现问题。

L是一个“電(diàn)流补偿”双绕组電(diàn)感器，该電(diàn)感器衰减通常由高开关频率電(diàn)压产生的共模噪声，该高开关频率電(diàn)压通过内部電(diàn)源電(diàn)容将噪声電(diàn)流驱动到地，再通过線(xiàn)路和中性線(xiàn)返回，从而将噪声電(diàn)流驱动到地。如图所示，从正常运行電(diàn)流产生的磁场相抵消，并且線(xiàn)路和中性線(xiàn)上的“共模”電(diàn)流都“看到”了高阻抗。

電(diàn)容器CY

两个電(diàn)容器CY转移了電(diàn)流，因此電(diàn)流在本地循环而不是通过交流電(diàn)源。当运行電(diàn)流场消除并防止铁芯饱和时，L1可(kě)以是一个高值，但有(yǒu)时会故意降低绕组耦合以允许一些漏感，这有(yǒu)助于差分(fēn)模式衰减，也许会降低CX的值。

两个電(diàn)容器CY也必须通过安全机构认证，因為(wèi)如果一个電(diàn)容器短路故障并且设备接地断开，则设备外壳可(kě)能(néng)带電(diàn)。即使没有(yǒu)電(diàn)容器故障，如果不小(xiǎo)心断开了接地连接，也会对外壳产生足够的“泄漏電(diàn)流”以产生電(diàn)击，因此電(diàn)容值受到限制，以提供最大的“接触”和“外壳”泄漏電(diàn)流根据适用(yòng)的标准。在某些带有(yǒu)硬線(xiàn)接地的工业區(qū)域，限值可(kě)能(néng)会达到毫安，在“心脏浮动”医疗环境中，限值会低于10μA。電(diàn)容器也根据交流電(diàn)源等级来指定；Y1，Y2，Y3和Y4，用(yòng)于最高8kV的峰值测试電(diàn)压。

保险丝

图1中的保险丝通常包含在面板安装的模块化滤波器中，例如流行的IEC320-C14类型（图2）。一些标准要求仅将線(xiàn)路连接熔断，而医疗和IT中的其他(tā)标准则要求将線(xiàn)路和中性線(xiàn)熔断。使用(yòng)单熔断器时，如果输入意外接反，则熔断器处于零線(xiàn)，并在中性点和地線(xiàn)共用(yòng)时被旁路，从而使保护依赖于上游熔断器或断路器，这可(kě)能(néng)是其他(tā)设备所共有(yǒu)的，因此具有(yǒu)高電(diàn)流跳闸额定值。

流入经过过滤的设备的電(diàn)流可(kě)能(néng)会引起火灾。使用(yòng)線(xiàn)路和中性保险丝时，现在涵盖了反向電(diàn)源。但是，如果中性線(xiàn)连接中的保险丝因诸如中性線(xiàn)到中性線(xiàn)过電(diàn)流的故障而断开，则该设备显然是“死線(xiàn)”，但内部存在带電(diàn)连接。為(wèi)了解决这个问题，可(kě)以使中性保险丝的值比線(xiàn)路高一个步骤，这样線(xiàn)路保险丝通常会先断开。

 

图2：典型的熔断式面板安装EMI滤波器

模块化过滤器的选择模块化过滤器有(yǒu)多(duō)种机械格式可(kě)供选择。机箱安装类型通常带有(yǒu)六面屏蔽，可(kě)直接固定到接地的机箱，在短線(xiàn)连接保险丝和入口连接器的情况下非常有(yǒu)效。带内置过滤器的IEC入口连接器是螺钉安装或卡入式安装的常见选择，根据应用(yòng)环境可(kě)使用(yòng)一个或两个保险丝。C14类型的额定電(diàn)流為(wèi)10A，C20类型的额定電(diàn)流為(wèi)20A及更高。

 

图3：AC-DC電(diàn)源，仅内部滤波器

对于医疗应用(yòng)，每种类型的版本都可(kě)以不带“ Y”電(diàn)容器，最大泄漏電(diàn)流通常為(wèi)5μA。这减少了共模噪声衰减，例如，级联滤波器可(kě)能(néng)需要允许这种共模噪声衰减。

负载功率设置滤波器的额定電(diàn)流，以实现最低的输入電(diàn)压和负载功率因数。例如，对于300W的负载，功率因数在最小(xiǎo)為(wèi)90VAC时為(wèi)0.8，则電(diàn)流消耗為(wèi)300 /（0.8 x 90VAC）= 4.16A，建议使用(yòng)额定值為(wèi)5A的滤波器。

模块化滤波器已经发布了随频率变化的衰减图，可(kě)以在不使用(yòng)滤波器的情况下通过测量性能(néng)来初步选择一种类型，然后从目标中减去该值以得到所需的滤波器衰减。滤波器的性能(néng)数据是在特定测试条件下进行的，通常具有(yǒu)50欧姆的源阻抗和负载阻抗，因此实际上衰减取决于端電(diàn)路。

交流電(diàn)源阻抗可(kě)以使用(yòng)線(xiàn)路阻抗稳定网络（LISN）进行标准化，但负载可(kě)能(néng)与50欧姆非常不同，随频率变化甚至呈现负增量阻抗。还存在与其他(tā)串联滤波器发生谐振而导致意外结果的危险，甚至会放大而不是衰减特定频率下的EMI。

作為(wèi)实验，绘制了XP Power PBR500PS12B型AC-DC转换器在230VAC和180瓦负载下的EMI性能(néng)，结果如图3所示。该转换器符合EN55032曲線(xiàn)B的排放限值，并具有(yǒu)良好的裕度作為(wèi)标准要求的准峰检测。添加了一个额外的滤波器，类型為(wèi)XP Power FCSS06SFR，其衰减特性如图4所示。实線(xiàn)是共模和点線(xiàn)差模衰减。

 

图4：XP FCSS06SFR模块化滤波器

图5给出了对发射的综合影响图，表明在大约1MHz的频率下，总衰减（dB）為(wèi)原始值加上滤波器值。但是，在几个MHz以上，衰减比预期的要小(xiǎo)。这是由于滤波器在高频下无法“看到” 50欧姆的端接，从而降低了其衰减效果，并确认了进行实际测量以确认符合发射限值的必要性。

 

图5：添加了外部滤波器的AC-DC電(diàn)源

手头的帮助

模块化EMI滤波器的类型和性能(néng)是一个复杂的选择，对于正确地避免在产品发布应该接近时在EMC测试中潜在的重新(xīn)设计成本来说至关重要。大型过滤器的过度杀伤成本很(hěn)高，甚至会适得其反，产生意想不到的结果。制造商(shāng)XP Power提供各种滤波器来补充其AC-DC转换器产品，并选择IEC和机箱安装格式的额定電(diàn)流和衰减特性。版本适用(yòng)于所有(yǒu)应用(yòng)，包括医疗用(yòng)低泄漏类型，还有(yǒu)针对大電(diàn)流和三相应用(yòng)的更多(duō)计划。多(duō)级滤波器也可(kě)用(yòng)于增加衰减以及根据需要定制版本。