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影响电源EMI滤波器插入损耗的原因及改进方法研究

gecimao 发表于 2019-05-23 22:25 | 查看: | 回复:

  从抗电磁干扰角度来说,电源E实际是一个只允许直流和工频通过的低通滤波器,即从零频(直流)至截止频率(工频)的通带内以最小衰减通过(或电压)。对电磁干扰的阻带,要求尽可能高的衰减,过渡带曲线尽可能陡(即过渡带尽可能窄)。由于EMI滤波器衰减的定义与传统滤波器不同,所以,传统滤波器的各种传递函数表达式和现成的数据及图表均不能直接用于EMI滤波器的设计。EMI滤波器的衰减用插入损耗来表示,本文将探讨电源EMI滤波器插入损耗的计算,以及影响插入损耗的各种原因和改进方法。

  式中,P1和U1分别表示当EMI滤波器未插入前(图1(a)),从噪声源us传递到负载RL的功率和电压;P2和U2分别表示当EMI滤波器接入后(图1(b)),从噪声源传递到负载的功率和电压。

  图2为高性能的EMI滤波器。其中,E表示共模信号输入端。图2中网络的共模等效电路如图3(a)所示,差模等效电路如图3(b)所示。图3(b)中Le1、Le2、Cxi,i=1,2,3,分别表示等效电感电容。

  一般设计时,令RS/RL=50Ω/50Ω,这有利于简化EMI滤波器的理论计算(把RS、RL看成常数而不是变量),但实际运用RS/RL=50Ω/50Ω的概率很少。这显然脱离了实际情况,其理论分析与实际插入损耗相差较大。因此,CISPR出版物4.2.2.2建议:除RS/RL=50Ω/50Ω测试方法外,另外补充RS/RL=0.1Ω/100Ω和RS/RL=100Ω/0.1Ω两种极端情况的测试方法。可以理解为帮助用户了解该EMI滤波器在两种极端情况下,其插入损耗有效范围是否满足要求。

  在低频段,电感器电容器的分布参数可忽略不计,但在较高的频段工作时,它们的分布参数对IL的影响就会显示出来。而电容器中的分布电感,元件与金属外壳之间,元件与元件之间,等均存在分布参数。这些分布参数会加入电路运算。解决元件分布参数对IL的影响有下列几种方法:

  (1)选择优质元件;(2)估计元件分布参数,建立EMI滤波器高频等效模型,并把元件分布参数参加滤波器设计;(3)如果IL达不到要求,可以增加滤波器的级数;(4) 通过元件布局、印刷电路板设计有利于电磁兼容等方法来解决。

  在高频段,电感器采用的纳米晶体软磁性材料的频响不如猛锌铁氧体软磁性材料的频响。因此,在高频段,电感器应采用锰锌铁氧软磁性材料,这有利于高频段加大插入损耗,即提高滤波器对高次谐波的仰制效果。但是,由于纳米晶体软磁材料具有很高的导磁率(μ0可达到13.5万,μe可达到17.9万)和高饱和磁感特性,这些特性指标远优越铁氧体和钴基晶体软磁性材料,因此,采用纳米晶体材料有利于低频段的共模插入损耗,即减少通带的插入损耗。

  由式(4)可知:IL与RS、RL有直接关系,即使EMI滤波器设计达到IL指标,对于不同RS、RL,其结构如果选择不当,也不能达到较好的滤波效果。因此,根据RS、RL的实际情况,选用EMI滤波器结构应遵循下列两点原则:

  (1)EMI滤波器的串联电感要接到低阻抗源(RS小)或低阻抗负载(RL小);

  (2)EMI滤波器的并联电容要接到高阻抗源(RS大)或高阻抗负载(RL大)。只有这样,EMI滤波器实际工作的IL与理论分析才能基本一致。

  当EMI滤波器的设计完成后,或在实际应用中IL部分频段不达标,或需要再改善IL的曲线,一般有下列几种方法来改善插入损耗。

  为了克服式(3)设计中的不足,引入切比雪夫修正系数M(ω),即式(3)减去20lg[M(ω)],可获得修正后的插入损耗的改善。切比雪夫修正系数为:

  当电气设备使用场合已确定时,该设备的EMI标准就得按使用场合所在行业的EMI标准来衡量,例如,某开关电源用在信息行业,就可以使用信息行业EMI标准来诊断,即引用GB9254(相当于EN5502)A或B级标准。该标准根据开关电源产生共模,差模干扰的特点,把频率分为三段:0.15~0.5MHz以差模干扰为主;0.5~5MHz以差、共模干扰共存;5~30MHz以共模干扰为主。如果0.15~0.5MHz频段不达标,可以加强差模仰制,方法可以是增加CX的值,必要时要增加差模线MHz频段不达标,可以加强共模仰制,方法可以是增加Cy的值,必要时要增加共模的级数(由1级增至2级)。如果上述措施均告失效时,意味着EMI滤波器设计有深层次的问题,则应重新设计。

  根据图2电路,设计元件参数CX=470μF,Cy=100μF,L1=L2=80mH。当电源内阻RS和负载RL均为50Ω时,差、共模插入损耗的理论计算与测试曲线所示。其中,A、B分别为共模插入损耗的理论计算曲线(ILCMI)和测试曲线(ILCMT);C,D分别为差模插入损耗的理论计算曲线(ILDMI) 和测试曲线(ILDMT)。B曲线MHz以前是一致的;B曲线MHz以后就偏离了A曲线,这是因为电感器采用纳米晶体软磁性材料造成的。D曲线MHz以前是一致的;D曲线MHz以后就偏离了C曲线,这是因为元件分布参数、各元件间分布参数对IL的影响和电感器采用纳米晶体软磁性材料等因素造成的。

  图4  插入损耗的理论计算与测试曲线所示网络对开关电源的电流(电压)谐波的抑制效果:

  未接入图2所示网络前,分别对某型号的29英寸彩电、17英寸彩显中的开关电源输入端口电流和电压的谐波进行测量;接入图2所示网络后,等条件重复测量前种情况的各参数。测量条件是:首先对被测电子设备进行严格屏蔽,防止临近设备及环境对被测电子设备的EMI;线路阻抗稳定网路(LISN)输入阻抗为50。在测量来自电气设备传导干扰时,必须在电网交流电源与待测设备之间接一个LISN。采用8793A型谐波分析仪测量电流谐波含量。具有代表性的测量结果见表1。表1中,THDi表示电流总谐波含量,THDv表示电压的总谐波含量,“N”表示图2所示网络。从表1中,我们可以知道:

  (1)在开关电源传导干扰中,电流谐波干扰起主导作用,也就是要抑制的主要对象;

  (3)接入图2所示EMI滤波器后,彩电、彩显中的开关电源电流(电压)谐波含量减至原来的三分之一左右。

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  信息优势和特点 保证12位单调性 高精度(INL = ±1 LSB) 用户可编程失调与增益,方便系统校准 1.25 V/2.5 V片内基准电压源,温度系数:10 ppm/ºC 以轨到轨方式工作的片内输出放大器 可选升压模式提供更快建立时间(典型值为6 µs) 串行SPI接口、I2C接口和并行接口 通过引脚同时更新DAC输出 清零至用户可编程代码功能 低功耗(每通道300 µA)产品详情AD5383是一款32通道、12位DAC,提供14 mm x 14 mm、100引脚LQFP封装。它采用3 V或5 V单电源供电,按通道提供可编程增益(m)与失调(c),以便于系统校准。各DAC通道均要经过双缓冲,因而通过LDAC 引脚可以同时更新所有DAC输出。每个通道均具有一个能够以轨到轨方式工作的片内输出放大器。AD5383内置一个1.25 V/2.5V低漂移基准电压源。它含有一个WR脉冲宽度为20 ns的并行接口、一个30 MHz SPI接口及一个400 kHz I2C兼容接口。这款器件与AD5380 (40通道、14位DAC)、AD5381(40通道、12位DAC)及AD5382 (32通道、14位DAC)引脚兼容。...

  信息优势和特点 提供中文数据手册 保证单调性 积分非线性(INL)误差:最大值±4 LSB 1.25 V/2.5 V片内基准电压源 温度系数参考:10 ppm/ºC 温度范围:-40℃至+85℃ 轨到轨输出放大器 关断模式 鲁棒的HBM(额定值为6.5 kV)和FICDM ESD(额定值为2 kV)性能 用户接口:并行串行(SPI®/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容型接口,提供数据回读)I2C®兼容 集成功能 通道监控 通过LDAC同时更新输出 清零至用户可编程代码功能 放大器升压模式可优化压摆率 用户可编程的失调和增益调整 Toggle模式支持方波生成 热监控 产品详情AD5380是一款完整的单电源、40通道、14位DAC,提供100引脚LQFP封装。所有40个通道均具有一个以轨到轨方式工作的片内输出放大器。该器件内置一个可编程的1.25 V/2.5 V、10 ppm/°C基准电压源;片内通道监控功能可将模拟输出多路复用至一个共用MON_OUT引脚,以便进行外部监控;输出放大器升压模式则可以优化放大器压摆率。AD5380含有一个WR脉冲宽度为20 ns的双缓冲并行接口、一个接口速度超过30 MHz的SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP兼容型串行接口和一个支持400...

  信息优势和特点 保证单调性 积分非线性(INL)误差:最大值±1 LSB 1.25 V/2.5 V片内基准电压源温度系数:10 ppm/ºC 温度范围:-40℃至+85℃ 轨到轨输出放大器 关断 封装类型:100引脚LQFP封装(14 mm × 14 mm) 用户接口:并行串行(SPI®/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容型接口,提供数据回读) I2C®兼容 鲁棒的HBM(额定值为6.5 kV)和FICDM ESD(额定值为2 kV)性能 INTEGRATED FUNCTIONS 通道监控 通过LDAC 同时更新输出 清零至用户可编程代码功能 放大器升压模式可优化压摆率 用户可编程的失调和增益调整 Toggle模式支持方波生成 热监控 产品详情AD5381是一款完整的单电源、40通道、12位DAC,提供100引脚LQFP封装。所有40个通道均具有一个以轨到轨方式工作的片内输出放大器。该器件内置一个可编程的1.25 V/2.5 V、10 ppm/°C基准电压源。片内通道监控功能可将模拟输出多路复用至一个共用MON_OUT引脚,以便进行外部监控,输出放大器升压模式则可以优化放大器压摆率。AD5381含有一个WR脉宽为20 ns 的双缓冲并行接口、一个接口速度超过30 MHz的SPI/QSPI...

  AD5384 40通道、3 V/5 V、单电源、串行14位denseDAC®

  信息优势和特点 保证单调性 相对精度(INL): 最大值±4 LSB 1.25 V/2.5 V、10 ppm/℃片内基准电压源 温度范围: -40 ℃至+85 ℃ 封装类型: 100引脚CSP_BGA 串行SPI/QSPI™/MICROWIRE®/DSP兼容型接口提供数据回读模式 I2C兼容型串行接口 集成通道监控功能 通过LDAC同时更新输出 清零至用户可编程代码功能 放大器升压模式可优化压摆率 用户可编程失调与增益调整 Toggle模式: 支持方波生成 热特性产品详情AD5384是一款完整的单电源、40通道、14位数模转换器(DAC),提供100引脚CSP_BGA封装。 所有40个通道均具有一个以轨到轨方式工作的片内输出放大器。 该器件内置一个1.25 V/2.5 V、10 ppm/℃基准电压源。片内通道监控功能可将模拟输出多路复用至一个共用MON_OUT引脚,以便进行外部监控,输出放大器升压模式则可以优化放大器压摆率。 AD5384含有一个与SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP接口标准兼容的串行接口,接口速度高于30 MHz,还有一个I2C兼容接口,支持400 kHz数据传输速率。输入寄存器后置DAC寄存器就可提供双缓冲,使各DAC输出既能独立更新,也能利用LDAC...

  AD5390 16通道、3 V/5 V串行输入、单电源、14位电压输出

  信息优势和特点 AD5390: 16通道、14位电压输出DAC AD5391: 16通道、12位电压输出DAC AD5392: 8通道、14位电压输出DAC 保证单调 INL±1 LSB 最大值 (AD5391)±3 LSB 最大值 (AD5390-5/AD5392-5)±4 LSB 最大值 (AD5390-3/AD5392-3) 片上1.25/2.5 V、10 ppm/°C参考基准 温度范围:−40°C至+85°C 轨到轨输出放大器 关断模式 封装类型64引脚LFCSP(9 mm × 9 mm)52引脚LQFP(10 mm × 10 mm) 用户接口 欲了解更多特性,请参考数据手册产品详情AD5390/AD5391分别是14位和12位的单电源供电、16通道DAC。AD5392是一款单电源供电的8通道14位DAC。这些产品采用64引脚LFCSP封装或52引脚LQFP封装。所有通道配有一个片上带轨到轨输出的放大器。所有器件均内置1.25/2.5 V、10 ppm/°C参考基准和片上通道监测功能(将模拟输出多路复用到一个公共的MON_OUT引脚以实现外部监测),并采用输出放大器升压模式,可实现最优的输出放大器压摆率。AD5390/AD5391/AD5392包含一个接口速度超过30 MHz的3线串行接口,符合SPI®、QSPI™、MICROWIRE™和DSP接口标准,以及一个支持400 k...

  信息优势和特点 保证14位单调性 高精度(INL = ±4 LSB) 用户可编程失调与增益,方便系统校准 1.25 V/2.5 V片内基准电压源,温度系数:10 ppm/ºC 以轨到轨方式工作的片内输出放大器 可选升压模式提供更快压摆率(典型值为8 µs) 串行SPI接口、 I2C 接口和并行接口 通过引脚同时更新DAC输出 清零至用户可编程代码功能 低功耗(每通道300 µA)产品详情AD5382是一款32通道、14位DAC,提供14 mm x 14 mm、100引脚LQFP封装。它采用3 V或5 V单电源供电,按通道提供可编程增益(m)与失调(c),以便于系统校准。各DAC通道均要经过双缓冲,因而通过LDAC引脚可以同时更新所有DAC输出。每个通道均具有一个能够以轨到轨方式工作的片内输出放大器。AD5382内置一个1.25 V/2.5 V低漂移基准电压源。它含有一个WR脉冲宽度为20 ns的并行接口、一个30 MHz SPI接口及一个400 kHz I2C兼容接口。这款器件与AD5380 (40通道、14位DAC)、AD5381(40通道、12位DAC)及AD5383 (32通道、12位DAC)引脚兼容。...

  信息优势和特点 FIR 数字滤波器/抽取器 串行或并行配置选择 输出字速率:250 SPS至16 kSPS 低功耗:6.2 mW(典型值) 待机模式:70 µW 提供参考设计和带软件的评估板产品详情AD1555是一款完整的Σ-Δ调制器,并集成有可编程增益放大器,主要用于低频、高动态范围的测量应用。该器件输出与模拟输入成比例的1密度位流。当配合数字滤波器/抽取器AD1556使用时,可实现带宽为1+ kHz的业界最高性能ADC。它采用连续时间模拟调制器输入架构,无需外部抗混叠滤波器。可编程增益前端可简化系统设计,扩展动态范围,并缩小系统板面积。低工作功率和待机模式使AD1555成为电池供电远程数据采集系统的理想之选。...

  信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual

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  AC1307 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC (+800/-225mA)和+24V DC (350mA)输出

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  AC1301 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC、±350mA输出

  信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1301是一款AC/DC双输出、±15 V DC电源,提供±350 mA的电流。利用附带的安装夹和硬件,可以将其安装在3B01、3B02或3B03背板上。工作温度范围为-25°C至+70°C。

  信息描述 bq500412 是一款符合 Qi 标准的超值解决方案,此解决方案集成了控制到单个 WPC1.1 兼容接收器无线电源传输所需的全部功能。 它与 WPC1.1 标准兼容,并且设计用于具有可选升压转换器的 12V,或 5V 系统,作为一个无线 类型自由定位发射器。 bq500412周围环境以寻找将被供电的 WPC 兼容器件,安全使用器件,接收来自被供电器件的数据包通信并根据 WPC1.1 技术规范管理电源传输。 为了大大增加无线电源控制应用中的灵活性, Dynamic Power Limiting (DPL) 在器件与 5V 输入电源供电的可选升压转换器一同使用时具有 bq500412 的性能。 Dynamic Power Limiting 通过无缝优化受限输入电源上可用功率的用量, 提高了用户体验。 通过持续监控已建立的电源传输的效率,bq500412 支持针对以往产品的外来物体检测 (FOD) 和增强性寄生金属检测 (PMOD),从而防止由于在无线电源传输场中错误放置金属物体而导致的电源丢失。 如果在电源传输期间发生任何异常情况,bq500412 对其进行处理并提供指示器输出。 综合状态和故障监视特性可实现一个低成本但是稳健耐用的,符合 Qi 标准的无线mm ...

  BQ500215 BQ500215 固定频率 10W WPC1.1 无线电源发送器

  信息描述bq500215 是一款专用数字无线电源控制器,它集成了控制无线电源传输至单个 WPC 兼容接收器所需的逻辑功能。bq500215 符合 WPC v1.2 标准,可输出高达 5W 的功率;使用专有的双向通信协议,结合 bq51025 无线电源接收器可实现高达 10W 的充电功率。bq500215 是一款智能器件,它可以定期询问周围环境中要充电的设备,检测充电板上是否有外来金属物体,监视所有无线充电设备的通信并按照充电设备的反馈来调整施加到发送器线 还可以处理功率输出相关的故障条件,并控制运行模式状态指示灯。bq500215 使用电源电压控制机制代替传统的频率控制来调节传送到接收器的功率。特性经 Qi 认证的 WPC v1.2 解决方案,适用于 5W 运行,配合 TI bq51025 无线电源接收器可提供专有的 10W 充电能力专有 TI bq51025 接收器的认证协议 更快的充电时间 兼容标准 5W WPC 接收器12V 输入,固定频率,电源电压控制架构 符合无线电源联盟 (WPC) A29 发送器类型技术规范 通过 FOD Ping 实现增强型外来物体检测 (FOD),可在电源传输前检测金属物体空闲和“充电完成”期间低待机功耗 10 种可配置的 LED 模式,可指示充电状态和故障...

  信息描述 bq500212A 是一款经 Qi 认证的超值解决方案,此解决方案集成了控制到单个 WPC1.1 兼容接收器无线电源传输所需的全部功能。 它与 WPC1.1 兼容,并且被设计成用于 5V 系统的无线A周围环境以寻找将被供电的 WPC 兼容器件,安全使用器件,接收来自被供电器件的数据包通信并根据 WPC1.1 技术规范管理此电源传输。 为了最大限度地增加无线电源控制应用中的灵活性, Dynamic Power Limiting (DPL) 成为 bq500212A 的特性。 Dynamic Power Limiting 通过无缝优化受限输入电源上可用功率的用量提高用户体验。 通过持续监控已建立的电源传输的效率,bq500212A 支持针对以往产品的外来物体检测 (FOD) 和增强性寄生金属检测 (PMOD),从而防止由于在无线电源传输场中错误放置金属物体而导致的电源丢失。 如果在电源传输期间发生任何异常情况,bq500212A 对其进行处理并提供指示器输出。 综合状态和故障监视特性可实现一个低成本但是稳健耐用的,经 Qi 认证的无线mm 四方扁平无引线 (QFN) 封装。特性 针对发射端应用的已经验证,经 Qi 认证...

  BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

  信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...

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