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[经验] 电源设计#9 用于AC-DC转换器的XP Power模块化EMI滤波器选择

2020-8-28 10:17:28  317 滤波器 EMI
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模块化AC线路滤波器经常出现在终端设备中,无论是机架安装还是与Heading 5a连接器集成在一起,特别是在ITE,医疗保健和工业电子设备等环境中。滤波器的目的是衰减电源,内部电子设备,高速数据线等的组合所产生的源自设备的辐射。
内部电源通常单独满足法定排放标准,通常为EN 55011 / EN 55032,那么为什么需要额外的过滤器?兼容组件不一定能保证兼容系统。如果有多个AC-DC转换器,则它们的发射可能会增加。此外,还将在特定的特定条件下测试AC-DC,这些条件包括:交流线阻抗,部件相对于接地平面的负载,方向和位置,设置的长度和电缆的布线以及无源负载。安装在设备中的转换器不会看到这些相同的条件,并且排放可能更高。与终端设备电源插座的连接也可能吸收来自其他系统组件的辐射,从而增加了传导干扰。

符合EMI要求可能需要其他滤波器一种典型的解决方案是安装在设备电源入口连接器中或附近的模块化过滤器。为了获得最佳性能和成本,从众多可用滤波器中进行选择并不是一件容易的事,因此为帮助起见,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。(图1)。

图1:典型的模块化EMI滤波器电路
CX衰减差模噪声CX衰减差模噪声,即从线路到中性线的噪声。它是额定值为“ X”的电容器,根据环境的“过电压”等级,它可以承受指定的交流线路瞬变。根据EN 60384-14,它可提供X1,X2或X3类型,其峰值额定工作电压分别为4kV,2.5kV和1.2kV。如果电容器由于应力而短路,则有引发火灾的危险,因此该组件必须经过安全机构认证。

CX的电容值CX的电容值可能很高,仅受实际考虑限制:当AC线被下游电路或R1断开连接时,它必须在规定的时间内放电,以避免在连接器引脚上残留潜在的危险电压。根据ITE和媒体安全标准EN 62368-1,如果CX大于300nF,则两秒钟后极限值小于60V,对于小于300nF的值或在只有受过培训的人员才能使用的环境中,允许使用更高的电压。
在医疗设备中,根据EN 60601-1,限值在一秒内为60V,但如果CX小于300nF,则没有要求。
R1必须具有最高的连续线路AC电压额定值,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%电阻值偏差的瞬态电压。对于较大的CX值,R1必须具有相对较低的电阻才能达到放电时间规格,并因此产生很大的连续功耗。当试图满足美国能源部和欧洲ErP指令定义的空载或待机损耗限制时,这可能会出现问题。
L是一个“电流补偿”双绕组电感器,该电感器衰减通常由高开关频率电压产生的共模噪声,该高开关频率电压通过内部电源电容将噪声电流驱动到地,再通过线路和中性线返回,从而将噪声电流驱动到地。如图所示,正常运行电流产生的磁场抵消了,线路和中性线上的“共模”电流都“看到”了高阻抗。

电容器CY两个电容器CY转移了电流,因此电流在本地循环而不是通过交流电源。当运行电流场消除并防止铁芯饱和时,L1可以是一个高值,但有时会故意降低绕组合以允许一些漏感,这有助于差分模式衰减,也许会降低CX的值。
两个电容器CY也必须通过安全机构认证,因为如果一个电容器短路故障并且设备接地断开,则设备外壳可能带电。即使没有电容器故障,如果不小心断开了接地连接,也会对外壳产生足够的“泄漏电流”以产生电击,因此电容值受到限制,以提供最大的“接触”和“外壳”泄漏电流根据适用的标准。在某些带有硬线接地的工业区域中,限值可能会达到毫安,在“心脏浮动”医疗环境中,限值会低于10μA。电容器也根据交流电源等级来指定;Y1,Y2,Y3和Y4,用于最高8kV的峰值测试电压。

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)。一些标准要求仅将线路连接熔断,而医疗和IT中的其他标准则要求对线路和中性线进行熔断。使用单熔断器时,如果输入被意外接反,则熔断器处于中性点,并且在中性点和地线共用时被旁路,从而使保护依赖于上游熔断器或断路器,这可能是其他设备所共有的,因此具有高电流跳闸额定值。
流入经过过滤的设备的电流可能会引起火灾。使用线路和中性保险丝时,现在涵盖了反向电源。但是,如果中性点连接中的保险丝因诸如中性点到中性点过电流的线路故障而断开,则该设备显然“死了”,但内部存在带电的连接。为了解决这个问题,可以使中性熔断器的值比线路高一个步骤,这样线路熔断器通常会先断开。

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多种机械格式可供选择。机箱安装类型通常带有六面屏蔽,可直接固定在接地的机箱上,在与保险丝和入口连接器的接线较短的情况下非常有效。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,根据应用环境可使用一个或两个保险丝。C14类型的额定电流为10A,C20类型的额定电流为20A及更高。

图3:AC-DC电源,仅内部滤波器
对于医疗应用,每种类型的版本都可以不带“ Y”电容器,最大泄漏电流通常为5μA。这减少了共模噪声衰减,例如,级联滤波器可能需要允许这种共模噪声衰减。
负载功率设置滤波器的额定电流,以实现最低的输入电压和负载功率因数。例如,对于300W的负载,功率因数为0.8(最小90VAC),电流消耗为300 /(0.8 x 90VAC)= 4.16A,建议使用5A额定滤波器。
模块化滤波器已经发布了随频率变化的衰减图,可以在不使用滤波器的情况下通过测量性能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。滤波器的性能数据是在特定测试条件下进行的,通常具有50欧姆的源阻抗和负载阻抗,因此实际上衰减取决于端电路。
交流电源阻抗可以使用线路阻抗稳定网络(LISN)进行标准化,但是负载可能与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。
作为实验,绘制了XP Power PBR500PS12B的AC-DC转换器在230VAC和180瓦负载下的EMI性能,结果如图3所示。该转换器符合EN55032曲线B的排放限值,并具有良好的裕度作为标准要求的准峰检测。添加了一个额外的滤波器,类型为XP Power FCSS06SFR,其衰减特性如图4所示。实线是共模衰减,而虚线是点差模衰减。

图4:XP FCSS06SFR模块化滤波器
图5给出了对发射的综合影响图,显示了在大约1MHz的频率下,以dB为单位的总衰减是原始的加滤波器值。但是,在几个MHz以上,衰减比预期的要小。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电源
手头的帮助模块化EMI滤波器的类型和性能是一个复杂的选择,对于正确避免在产品发布应该接近时在EMC测试中避免潜在的重新设计成本至关重要。大型过滤器的过度杀伤成本很高,甚至会适得其反,产生意想不到的结果。制造商XP Power可以在这里提供帮助,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电流和衰减特性。版本适用于所有应用,包括医疗用的低泄漏类型,还有针对大电流和三相应用的更多计划。多级滤波器也可用于增加衰减以及根据需要定制版本。
XP Power为他们的产品提供全面的应用程序支持,并且可以通过免费使用遍布全球的公司地点的内部EMC测试设施来协助对客户产品进行预一致性测试。

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lm12041204a 2020-8-28 11:23:18
感谢楼主分析
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王栋春 2020-8-28 12:54:03
学习一下
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