用于DC-DC轉換器的MIL-SPEC COTS EMC輸入濾波器

DC-DC轉換器的開關動作可能會引起不良的共模和差模噪聲，在頻譜的許多點上創建不可接受的干擾。前端(或電力線)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的前端濾波器可實現與供應商的開關電源(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、沖擊)和環境(例如高海拔)設計限制，以滿足軍用設備的需求。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?

這個輸入濾波器的設計對于符合電磁兼容(EMC)標準和目標至關重要。前端或輸入濾波器用于多種目的:

抑制可能進入電源第一階段的噪聲和突波，

降低基頻(即開關頻率)及其諧波的發射噪聲

開關電源在電子設備中的使用越來越普遍，帶有豐富的頻譜內容，可能通過物理接觸傳導到電路的其他部分，并干擾附近敏感電路。隨著開關速度的提高，噪聲成為一個越來越大的問題，特別是當快速開關的晶體管會引起電流流動的中斷時(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關器件的快速開啟和關閉，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，增加了EMI。在不連續導電模式(DCM)下，主要電流紋波更大。紋波將創建一個變化的信號，通過共同接觸的導體傳導到系統的其他部分。

EMI: 輻射和傳導的發射

通常，傳導的發射與30MHz以下的頻率相關，而輻射的發射通常落在30MHz以上的頻率范圍內(通常是50到300MHz)。然而，傳導和輻射的發射仍有重疊。在開關電源中，電壓突波(高dV/dt)通常是輻射噪聲的來源。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，將在電源線和回路之間流動;DM噪聲主導較低頻率。通常很難改變di/dt的行為，而不會從根本上改變電路。通過使用被動低通EMI濾波器(例如R-C阻尼器、L-C、Pi節、T節等)來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，將在每個電源線和地面之間流動。當CM電流耦合到長導體或電纜中時，電纜可以作為天線，使CM噪聲在高頻率下更為突出。根據電纜長度和導體之間的距離以及參考地面平面，意外回路的環路面積可能非常大。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電感線圈。CM電感線圈還提供了一個高阻抗串聯路徑，允許CM電流通過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EMC標準。輸入EMI通常使用線路阻抗穩定網絡(LISN)在待測設備(DUT)的輸入端以及頻譜分析儀進行量化。

前端濾波器的設計考慮因素

通常，被動EMI濾波是噪聲抑制的最常見方法;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，這可能會證明困難。這些濾波器通常是各種排列的電阻、電容和電感器。基本分量和前幾個諧波的大小最大，并將對整體噪聲產生最大的貢獻，而高階諧波的振幅在頻率增加時會逐漸減小。濾波器抑制這些噪聲成分的能力也隨著頻率的升高而增加，因此，在基頻和低階諧波處減輕噪聲是一個突出的設計挑戰。

通常，大型被動濾波器可以減輕低頻發射;但是，由于其寄生性質(例如電容的等效串聯電阻和電感以及電感的并聯電容)，高頻發射可能需要額外的設計考慮。其他EMI濾波技術通常涉及主動元件:其中一種技術是使用擴頻或抖動來調制電源的開關頻率，以減少在頻率域中發現的基頻和低階諧波的峰值。最終，采用的技術取決于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電源電子設備來說無疑是一個額外的設計考慮因素。軍用設備將有一系列電氣、機械和環境設計考慮因素，這些考慮因素會使制造商從基礎開始仔細設計電源電子設備--必須滿足材料篩選和電氣、機械和惡劣環境性能要求。

電源的常見軍用標準

MIL-STD-461為電氣設備設置了傳導和輻射發射限制，指導正確測量EMI。如果SMPS超出這些限制--它經常會--它將需要EMI濾波器將其“帶回規格”。但是，選擇任何現成的EMI濾波器并不一定會導致電源突然符合標準要求;該設備可能會非常嘈雜，以至于將任何EMI濾波器附加到輸入端仍然會導致該部件失敗。MIL-STD-461的各種要求及其描述可在表1中找到。符合MIL-STD-461的電子設備通常會列出滿足特定CE、CS和RE要求的詳細信息。

EMI不是關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輛、民用越野車輛以及軍用和民用重型設備。

其他軍用標準--例如MIL-STD 704F關于飛機電力特性和DO-160G關于機載設備的標準--將規定環境條件和測試程序，以充分模擬各種電壓條件。MIL-STD-810標準包括設備將經歷機械沖擊、振動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境中的長壽命和可靠性的必要考慮因素。軍用車輛和空中系統中運行的電源將可能需要滿足MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F、MIL-STD-461和MIL-STD-810的各個方面，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濾波和瞬態保護，以符合MIL-STD-461G標準中的傳導發射、傳導感受和輻射發射要求，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/振動要求。

該系列具有主動輸入過壓保護功能，可將最高持續時間為50ms的過壓限制在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保護功能，例如遠程開/關控制、過載保護、輸出短路保護、反極性保護、開機電流限制等。

在圖3中可以看到EMI性能得到了顯著改善。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，軍用車輛和飛機中的機載子系統由24V電池或28V發電機供電，對多個方面有嚴格要求，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，與相關的MCF前端濾波器配對，可滿足軍事要求的EMC和浪涌抑制。

審核編輯：湯梓紅