了解低功率离线电源的共模噪声

日期:2012-04-30

  作者:Vladimir Alexiev,高级设计工程师,英商康桥半导体

  至今,强大的底层技术使核心设计吸引了更广泛的受众,如需要低功率电源DIN轨和类似设备的工业用户。但工业应用强调基于成本的长期可靠性,尺寸上有一些限制,最低的成本和规模在消费领域是必不可少的。然后EMI抑制变得非常困难,没有接地或X/Y电容器,很少有输入滤波器元件和任意的电源线长度。

  存在减轻这些问题的方法,但很少是隔离的方法。例如,理论上,扭曲的电源线的导线长度不那么重要。但任何EMC测试工程师都知道,电缆长度和布局可严重影响结果。在另一个层面上,修改拓扑结构,如谐振非连续正激转换器(如英商康桥半导体C2470控制器系列),用最小的EMI滤波器硬件,软化的初级侧开关简化了满足监管要求。适用的标准,包括针对传导和辐射的55022,以及针对适用于IEC 62684中定义的手机充电器条件的ETSI EN 301 489-34。

  然而,今天的智能手机触摸屏非常容易受到可能存在于电源输出的噪声的影响。通常情况下,当在充电周期使用的手机这会变得很明显。交流线路的连接创造了一个强大的噪声电流路径,可能淹没触摸屏依靠感应用户输入的用户对地的连接。由于消费者要求一种常见的充电器,适合所有数据功能的手机,“MoU倡议”针对互操作性问题和对环境的影响,从无数的特殊型充电器处置结果可以看到(见http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/rtte/chargers/docs/index_en.htm)。由于共模噪声在不同程度上影响到不同的触摸屏,解决这个问题对互操作性至关重要。

  目前是其第一版,IEC 62684是“MoU倡议”的标准,以确保手机充电器的电源之间的互操作性。它规定了一些标准,如通用输入AC线操作、USB Micro-B布线、针对USB-IF标准设备检测和保护的兼容性、环境工作条件,以及充电器的直流输出特性。最后一节指出,从没有负载到完整输出电流水平的输出电压应为5.00 ± 0.25 VDC,它必须位于500至1,500mA之间。它还奠定了共模噪声限值和要求的一些特定测试的基础。

  创建共模噪声的机制

  因为简单、高效,反激式拓扑结构在廉价低功率AC/DC转换占主导地位。我们会考虑在任何开关周期内的两个周期——“充电”周期,在此期间,能量在变压器的核心,“放电”周期,这种能量释放到二次回路。

  直流输出中的共模噪声波形大大不同于输入整流桥传导时间(BCT周期),因为输入整流器是由其余的交流线路周期导通的,此时是不导电的(整流桥非导通时间,BNT)。图1的左侧代表输入整流器开启,我们可以看到,这期间两个电路的工作:

  图1:反激式转换器的共模噪声源和传输路径。

  在BCT周期,开关连接变压器的初级到地,造成共模噪声电流Inps在次级和初级之间流动,成为主要的噪声期。充电器的输出上共模信号与Inps和Inp之差成正比,它是来自初级到地传输的噪声电流。可能有两种情况:

  1. Inp > Inps:所产生的波形与开关信号的形状相同;

  2. Inp < Inps:波形与图2看到的倒置开关信号顶部曲线成正比。

  随着图2所示的底部曲线,BNT间隔期间的波形始终是渐进式开关信号,因为主要噪声源是通过电容器Cpe的至地主推电流。

  主开关元件与BCT和BNT周期之间以及高频信号内容差别很大。因为最大峰-峰电压Vpp可以出现在在交流线路周期的任何地方,量化Vpp需要确定多个频段的最坏水平。优化传导辐射的关键在于精确平衡BCT周期的两个条件。

  图2:顶部曲线——Inp

  底部曲线——整流器非导通期间的波形

  测试配置设置

  共模噪声的测量精度取决于测试方法和设置。为了测试外部电源(EPS),我们使用EN 55022定义的设置,以及IEC 62684的修改:

  - EPS电缆、负载和移动终端到地的距离为30cm

  - 10.00 ± 0.01Ω负载

  - EPS由253VAC -1%/+0%(50 Hz ± 1%)供电

  - EPS到负载为1米长电缆

  图3显示了这一布局:

  图3:共模噪声的测量设置:

  1. 非导通表

  2. LISN和EPS电源线

  3. EPS、输出电缆和移动终端

  4. 8pF/10MΩ示波器探头

  5. 计算机

  LISN(线路阻抗稳定网络)分离EPS从其他AC线连接设备的供电。它平衡线相线和中性线,为测量高频信号提供了一个合适的点,并使接地符合IEC 62684规定。

  测量方法

  在253 VAC的AC线周期测量符合IEC 62684目标的20毫秒最坏情况下Vpp信号幅度,共模噪声在高输入电压下趋于恶化。英商康桥半导体的方法利用数字示波器在400万个采样中获得线频率信号帧。这些数据通过数字滤波器传递,并进行帧扫描测量发现每个频段的最坏Vpp信号。

  近日,“MoU倡议”发表了一个“共模EPS实施指南要求”,以支持IEC 62684:“指南”免除了IEC 62684的许多共模噪声测试,建议所有脉冲测量不超过250纳秒。这有效地实现了低于4MHz开关频率的频段。

  测试结果及可能的补偿策略

  检查过滤后的共模噪声形状和振幅可以帮助找出干扰源,并发现减轻这个问题的办法。一个两步方法可以在施加一个相位相反和幅度的信号到剩余噪声信号之前,最大限度地减少源噪声。英商康桥半导体在美国专利8,023,294(www.google.com.tr/patents/US8023294)中讨论了一个合适的机制,可以实现这一目标。

  补偿方法包括平衡变压器的设计,“推动”BCT和BNT周期的噪声。图4中的上图曲线显示了BNT周期推动共模噪声信号的结果。

  所有补偿方法都会遭受信号不准确的影响,随着频率增加而恶化。高频区信号之间的关系可能与主开关频段完全不同,这种关系的差异程度是补偿测量的标准之一。图4底部的曲线显示了相同信号的1至100kHz和1至100MHz频段,揭示了在BCT周期,由于信号延迟和补偿不平等增加了共模噪声。

  结论

  虽然可能不一定可优化传导辐射——调整补偿来在驱动BCT和BNT周期的信号幅度尽可能相等,是减少共模噪声的最好方法。

  图4:顶部曲线——在BNT周期推动的共模噪声(在第一次滤波后)

  底部曲线——共模噪声在BCT周期上升(第四次滤波后)

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