【導(dǎo)讀】開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出通常會(huì)加電感電容濾波器以減少反射紋波電流和輸出噪聲，同時(shí)滿足EMC的輻射和敏感性限制。轉(zhuǎn)換器制造商有時(shí)會(huì)指定推薦濾波電感值，但是在整個(gè)頻率范圍內(nèi)由不同元器件供貨商提供的相同標(biāo)稱性能的部件可能會(huì)有很大的性能差異，從而導(dǎo)致結(jié)果不佳并且增加傳導(dǎo)和輻射干擾。本文將探討電感性能的不同變化。
現(xiàn)如今大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換器包括所有隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器都屬于“開關(guān)模式”，這種模式下，外部DC電壓在高頻時(shí)被“斬波”后轉(zhuǎn)為AC供應(yīng)給內(nèi)部隔離變壓器。變壓器的AC輸出由占空比控制調(diào)節(jié)整流后回到DC，整個(gè)過程既高效損耗又低。缺點(diǎn)是開關(guān)過程中在輸入和輸出上會(huì)產(chǎn)生高頻紋波以及傳導(dǎo)和輻射噪聲尖峰，這些都會(huì)干擾其它設(shè)備。有一種趨勢是電源轉(zhuǎn)換器以更高的頻率和更快的轉(zhuǎn)換速率運(yùn)行以提高效率，但由此產(chǎn)生的噪聲頻譜要寬得多。
LC濾波器可降低輸出噪聲
任何商用電源轉(zhuǎn)換器都有基本濾波將紋波和噪聲降低成約DC輸出的1%的典型峰峰值。通常這是可以接受的，但是如果應(yīng)用比較敏感則需要較低的級(jí)別，而簡單的解決方法是添加一個(gè)外部LC濾波器（圖1）。
圖1：外部LC濾波器可降低開關(guān)模式電源的輸出紋波和噪聲
理論上電感阻抗在DC時(shí)為零，電容阻抗則為無窮大，因此所需的DC不會(huì)受到影響。但是隨著頻率增加，電感阻抗ZL增大同時(shí)電容器阻抗ZC減小，從而產(chǎn)生越來越大的“分壓器”效應(yīng)。可以選擇濾波器角頻率來降低轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率紋波，但噪聲尖峰是由高達(dá)數(shù)十MHz的頻譜組成， 因此對噪聲尖峰的衰減就比較難預(yù)測。
原因是在某些頻率下，當(dāng)ZL和ZC的值相等時(shí)LC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生“諧振”，噪聲被放大而不是減少，盡管這種影響會(huì)被負(fù)載電阻阻尼。以上諧振，仍有一些噪聲衰減，但其他寄生效應(yīng)開始出現(xiàn)。例如，電感器的自電容會(huì)產(chǎn)生另一種頻率高得多的共振。這個(gè)電容也比較容易讓噪聲繞過電感。高頻的時(shí)候因?yàn)椤凹w效應(yīng)”的關(guān)系，電感的磁芯損耗增加，電感器線的交流電阻也增加，電容的阻抗相對于等效串聯(lián)電阻(ESR)變小，電容開始扮演電阻的角色。電容的等效串聯(lián)電感（ESL）也有高頻效應(yīng)。如果LC濾波器的等效電路包括這些寄生組件，就會(huì)比較接近圖2。
圖2：具有寄生組件的外部濾波器
電感的寄生效應(yīng)改變噪聲衰減性能
針對電路中涉及頻率的磁芯損耗的影響 ，采用LLOSS 1 ，2以及 RLOSS 1 ， 2是一種簡單的建模方式；不同的LLOSS值會(huì)產(chǎn)生不同的阻抗，從而使不同的電阻組件RLOSS 1和2在不同的頻率產(chǎn)生影響。增加更多的LLOSS/RLOSS網(wǎng)絡(luò)能讓模型更加精確，但是很難參考電感的規(guī)格書來計(jì)算分量值，因此如果要一個(gè)完整的電感和磁芯模型可通過經(jīng)驗(yàn)得到數(shù)值。圖3顯示了帶有和不帶有LLOSS/RLOSS網(wǎng)絡(luò)的濾波器衰減模擬圖，其中包括L和C及其寄生分量的假定值，顯示磁芯損耗對噪聲的高頻衰減有很大影響，在10MHz時(shí)相差了20 dB。不幸的是，磁芯損耗并沒有出現(xiàn)在典型的電感器規(guī)格書中，并且可能變化很大。
圖3：有無磁芯損耗的LC濾波器衰減對比圖
輸入EMC濾波器組件選擇
在選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入的EMC濾波器的商用電感時(shí)（圖4），電感制造商的規(guī)格書通常只提供電感、DC電阻以及個(gè)別諧振頻率的信息。盡管這可以使反射的輸入紋波衰減一定的量，但是如果沒有數(shù)據(jù)來定義寄生分量就很難預(yù)測噪聲尖峰及頻譜衰減。從輸出濾波器的分析可以看出，高頻效應(yīng)（例如磁芯損耗）會(huì)再次對噪聲衰減產(chǎn)生極大的影響。電感制造商不會(huì)提供相關(guān)信息是可以理解的，因?yàn)樽償?shù)多了。例如，磁芯損耗不但取決于波形交流分量的幅度及形狀，也取決于頻率、DC電流偏置以及溫度。
圖4：典型的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入EMC濾波器
因此很難選到理想的電感，在最壞的情況下可能會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射噪聲水平超過操作或法定規(guī)定。甚至可能到最終產(chǎn)品進(jìn)行獨(dú)立EMC測試時(shí)才知道答案，但是此時(shí)做任何的變動(dòng)都會(huì)造成極高的成本。
如果有合適的測試設(shè)備，例如有天線和EMC室可用，則可以在電路中嘗試來自不同供應(yīng)商的具有相同標(biāo)題額定值的電感樣品，以檢查實(shí)際結(jié)果。大電感值似乎不錯(cuò)但會(huì)降低諧振頻率，體積較小的元器件可能具有較高的DC電阻進(jìn)而導(dǎo)致電壓下降，具體取決于轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和功率消耗。大電感還具有較大的自電容，因此減少了高頻衰減。最后要考慮的是大電感本身會(huì)在承受負(fù)載電流階躍時(shí)引起電壓尖峰。小電感搭配大電容也是選擇之一，但是如果考慮到成本和尺寸的問題而使用電解類型，它將不會(huì)有很好的高頻特性。其他類型的，如陶瓷，在高頻方面很好，但對于高電容值來說，價(jià)格昂貴且體積大。
正確的L和C組合會(huì)受到成本、尺寸和性能等因素影響。當(dāng)選擇電感時(shí)，市場上就有了一個(gè)混亂的類型選擇。包括鐵氧體、鐵粉芯，一些特殊的選擇例如多晶磁芯，然后有鼓形、環(huán)形和E型磁芯，以及也會(huì)影響性能的通孔或SMD安裝選擇。買家也會(huì)發(fā)現(xiàn)似乎相同電感規(guī)格和額定電流的器件，價(jià)格卻大不相同。
所提供的每個(gè)電感器適合特定的應(yīng)用場合。鐵氧體的損耗最低但材料比鐵粉昂貴。鐵粉對過電流的耐受性也更高，比鐵氧體更能保持電感?！碍h(huán)形”或環(huán)形磁芯的磁場泄漏較小，但比鼓形或“線軸”磁芯更難纏繞和端接。因此設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、EMC、采購和制程工程師都需要參與共同選擇最佳解決方案。
首選經(jīng)轉(zhuǎn)換器制造商驗(yàn)證的解決方案
作為AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器制造商的RECOM了解選擇合適電感器的困難，因此提供了一系列可與大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器匹配的高性價(jià)比電感和推薦電容，而這些器件通過了他們的EMC室的傳導(dǎo)和輻射噪聲測試。客戶可以利用經(jīng)驗(yàn)證的一站式降噪解決方案的優(yōu)勢，節(jié)省時(shí)間、金錢，并有可能更快地進(jìn)入市場。
參考文獻(xiàn)
[1] RECOM: www.recom-power.com
[2] Modelling ferrite core losses: http://ridleyengineering.com/design-center-ridley-engineering/39-magnetics/185-a03-modeling-ferrite-core-losses.html
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