DC/DC 转换器 EMI 的工程师指南——规范和测量

多数电源应用必须减少电磁干扰 (EMI) 以满足相关要求,系统设计人员必须尝试各种方法来减少传导和辐射发射。

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简介


多数电源应用必须减少电磁干扰 (EMI) 以满足相关要求,系统设计人员必须尝试各种方法来减少传导和辐射发射。


电磁兼容性 (EMC) 标准的合规性(例如,针对多媒体设备的 CISPR 32,针对汽车应用的 CISPR 25)是一项非常重要的任务,与产品开发成本和上市时间息息相关。


对于 DC/DC 转换器而言,虽然采用开关更快的电源器件可以提升开关频率并缩小尺寸,但在开关转换期间出现的开关电压和电流转换率(dv/dt 和 di/dt)有所提升,通常引起 EMI 加剧,导致整个系统出现问题。


例如,氮化镓 (GaN) 电源器件的开关速度极快,导致高频条件下的 EMI 增加 10dB。EMI 滤波器是电力电子系统不可或缺的组成部分,在总体积和总重量方面占比相对较大。因此,必须非常关注系统的 EMI 降噪和抑制,不仅要满足 EMC 规范,还需降低解决方案成本并提高系统功率密度。


本文是 EMI 系列文章的第一部分,回顾了相关标准和测量技术,主要侧重于传导发射。表 1 列出了与 EMI 有关的常用缩写和命名法。


IEC


国际电工委员会


CISPR 25


国际无线电干扰特别委员会,一个 IEC 技术委员会


EN 55022


欧洲标准,由 CENELEC 制定并经欧盟 (EU) 批准,是 CISPR 22 衍生标准的修改版


FCC 第 15 部分


联邦通信委员会;第 15 部分 B 小节适用于无意辐射体


ANSI C63.4


美国国家标准学会


CENELEC


欧洲电子技术标准委员会


CE 标识


欧洲合格认证


ITE


信息技术设备


EUT


待测设备


OATS


开阔试验场


ALSE


内衬吸收器的屏蔽外壳


SAC,FAR


半消音室,全消音室


LISN


线路阻抗稳定网络


AMN,AN


人工电源网络,人工网络


AE


辅助/关联设备


CE,RE


传导发射,辐射发射


CS,RS


传导敏感性,辐射敏感性


DM,CM


差模,共模


RBW


(EMI 接收器/频谱分析仪的)分辨率带宽


FFT


快速傅立叶变换


PE,GW


保护性接地,绿色导线(均指接地或外壳接地)


dBmV,dBmA


0dBmV = 1mV,20dBmA = 10mA


表 1:与 EMI 和 EMC 相关的常见缩略语、缩写和单位。


EMC 监管规范


EMC 指系统或内含元器件在其电磁环境中按要求运行,不会对环境中的任何设备产生超出容限的电磁干扰的能力。此类干扰可能造成严重后果,因此各种国内和国际监管规范中均设立了 EMC 条款。


在欧盟区域内,通信市场销售的电源产品多年来通常采用 EN 55022/CISPR 22 产品标准,从而在传导和辐射发射两方面满足合规性要求,欧盟之外参照此标准的电源产品使用 CE 符合性声明 (DoC),满足欧盟 EMC 指令 2014/30/EU 的合规性。


针对北美市场设计的产品符合 FCC 第 15 部分 的限值。IEC 61000-6-3 和 IEC 61000-6-4 通用 EMC 标准分别适用于轻工业和工业环境。


然而,在辐射方面,EN 55032 产品标准已取代 EN 55022 (ITE)、EN 55013(广播接收器和相关设备)和 EN 55103-1(音视频设备)。这一新标准正式成为符合 EMC 指令的统一辐射标准。更具体地说,之前根据 EN 55022 进行测试并在 2017 年 3 月 2 日后运往欧盟的所有产品,必须符合 EN 55032 的要求。


随着 EN 55022 标准撤销并由 EN 55032 取代,电源制造商和供应商需要按照新标准更新其 DoC 证书,从而合法地使用 CE 认证徽标。图 1 显示了在 150kHz 至 30MHz 的适用频率范围内,使用准峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信号检测器进行的传导发射的 EN 55022/32 A 类和 B 类限值。

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图 1:使用准峰值和平均值检测器的 EN 55022 A 类和 B 类传导发射限值。


对于汽车终端设备,未来 EMC 合规性的主要推动力无疑来自于通过车辆间通信支持的自主车辆。针对“板载接收器保护”的 CISPR 25 规范已针对传导发射设置了严格的限制,在 FM 频带(76MHz 至 108MHz)的限制尤为严格。


从监管角度而言,UNECE 10 号法规在 2014 年 11 月取代了欧盟的汽车 EMC 指令 2004/104/EC,其中要求制造商必须取得所有车辆、电子元器件 (ESA)、元器件和独立技术单元的型式认证。


CISPR 25 测试的传导发射均在 150kHz 至 108MHz 频率范围的特定频带内进行测量。具体而言,调节频率范围分布在 AM 广播、FM 广播和移动服务频带之间,如图 2 中的图象和表格所示。图 2 还绘制了 CISPR 25 5 类(最严苛的要求)的相关限值图象。尽管频带之间的带隙允许更高的噪声尖峰,但汽车制造商可能会根据其特定的内部 EMC 要求选择扩展这些频率范围。这些要求通常基于国际 IEC 标准,仅更改不同测试或限值的少量参数,其核心内容保持不变。

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2

图 2:CISPR 25 5 类传导发射限值。


为了应对 CISPR 25 限值带来的挑战,尤其是 FM 频带方面,请注意,50Ω 测量电阻产生的 18dBμV 对应的噪声电流仅为 159nA。


测量传导 EMI


LISN 测量 EUT 产生的传导发射。它是插入 EMI 源和电源之间测量点的接口,确保 EMI 测量结果的可重复性和可比较性。图 3 所示为根据 CISPR 16-1-2 [12] 或 ANSI C63.4标准定义的标准 50μH LISN 的功能等效电路(并非完整原理图)。


LISN 提供:


在给定频率范围内,产生经过校准的稳定信号源阻抗。

在该频率范围内,将 EUT 和测量设备与输入电源隔离。

与测量设备建立安全适用的连接。

单独测量两条线路的总噪声级别,图 3 中以 L 和 N 表示。

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图 3:使用 V 型 LISN 进行的传导发射测量。


简而言之,使用信号源阻抗已知的预定义测试方案能够获得可重复性结果。注:LISN 可能包含一个或多个独立 LISN 电路。


LISN 的实质是 pi 滤波器网络。通过低通电感-电容 (LC) 滤波器,EUT 与输入电源线 L 和 N 相连,如图 3 所示。LISN 电感值基于在产品理想安装状态下,电源线的预期电感。


CISPR 16 和 ANSI C63.4 为 LISN 指定了一个 50μH 电感,该值与电信设备中约 50 米的配电布线系统的电感相符。相反,CISPR 25 指定 5μH LISN,与汽车线束的近似电感相对应。


LISN 为噪声发射信号提供明确定义的阻抗。LISN 制造商通常提供校准曲线,指示特定测量频率范围内的标称阻抗。根据 CISPR 16-1-2,允许的容差是 ±20% 的幅值和 ±11.5° 的相位。


对于使用 EMI 接收器或频谱分析仪进行的测量,噪声信号可通过高通滤波器网络(如图 3 所示)获得,该网络的耦合电容为 0.1μF,放电电阻为 1kΩ,测量端口的端接电阻为 50Ω 。图 4 显示了在 150kHz 至 30MHz 的频率范围,(50μH + 5Ω) || 50Ω LISN 的模拟阻抗图。


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图 4:在 150kHz 至 30MHz 的调节频率范围内,测量端口处的 50Ω,50μH LISN 标称阻抗特性。


针对汽车应用的 CISPR 25 测试装置


图 5 显示了 CISPR 25 推荐的传导发射测试装置。该标准定义了待测系统的处理方式以及测量方案和设备。根据 CISPR 25 规范,LISN 在此处指定为 AN。当汽车功率回流线超过 200mm 时,EUT 远程接地,需要两个 AN:二者分别用于正电源线和功率回流线。相反,如果汽车功率回流线不超过 200mm,则 EUT 本地接地,只需将一个 AN 应用于正电源。


AN 直接安装在基准接地平面之上,AN 外壳与接地平面相连。电源回流线还与电源和 AN 之间的接地平面相连。将 EMI 接收器连接到相应 AN 的测量端口可确保成功测量每条电源线上的传导发射。与此同时,插入另一条电源线的 AN 的测量端口端接 50Ω 负载。

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图 5:CISPR 25 传导 EMI 测试方案(电压法)概述。


图 6 显示了用于预合规测试的 CISPR 25 传导发射试验室。LISN 是右侧的蓝色箱体,锂离子汽车电池位于其后,DUT 位于左侧的绝缘材料上。为了在特定电源电压下(例如 13.5V)进行测试,使用可变电压源从试验室外部通过隔板馈电。结果通过各自的 LISN 在线路端(热回路)和返回端(接地)获取。


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图 6:使用两个单极 LISN 和铜箔接地平面的 CISPR 25 传导 EMI 测试装置。


图 7 显示了典型的 CISPR 25 传导 EMI 扫描结果,黄色和蓝色分别表示峰值和平均测量值。我们可以看到 DC/DC 转换器安静地运行,传导发射远低于严格的 5 类限值。这种测量技术在 30MHz 以上发生改变,因为 EMI 接收器的 RBW 从 9kHz 调整为 120kHz,可能导致测量噪底发生变化。

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图 7:典型的 CISPR 25 传导 EMI 测量。


总结


有意或者无意产生的电磁能量均对其他设备造成电磁干扰。商业产品需要在正常运行过程中将产生的电磁能量降至最低水平。


世界各地的许多管理机构均对允许最终产品产生的传导和辐射 EMI 的等级进行了规定。采用适用的测量技术可以定量分析此类发射,以便采取适当的措施符合法规的合规性。


EMC 要求通常事关在 AC 电源线(和信号线)所测量系统的整体情况,而 DC/DC 转换器作为子元器件,并没有具体的 EMC 限值。然而,用户可以执行预合规性测试,确定 EMI 是否造成不良影响。


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