电源的EMI测试注意事项

在选择电源时，产品最重要的功能要求之一是其 EMI 性能。AC/DC 电源是终端产品电子设备和为终端应用提供能量的电力公司之间的接口。FCC 和国际标准要求产品的 EMI 性能符合标准中定义的发射限制，具体取决于应用。

一个常见的假设是 EMI 辐射在满载条件下或在某个交流线路电压范围内最高。然而，根据电源的功率转换拓扑，辐射会随着线路电压和负载范围的变化而显着变化。本文讨论了执行验证测试时的注意事项，并提供了显示负载范围内显着 EMI 性能变化的数据。在某些情况下，低负载可能比满负载更糟糕。建议对负载和线路条件进行验证测试。这些建议可确保进行适当和彻底的评估，同时最大限度地减少实现高置信度合规性所需的测试。

客户对更小、更低成本电源的需求推动了对更高效率的无止境追求。此外，政府法规(DoE Level VI、EU ErP 等)要求使用更高效的适配器，这促使行业寻找创新的解决方案来满足这些要求。由于这些原因，新的解决方案已经浮出水面，会对 EMI 性能产生一些意想不到的后果。

外部电源使用可变工作模式来降低空载功率并实现高效率。例如，随着输出负载的降低，转换器可以切换到突发操作模式以最小化功耗。与高负载条件相比，这会导致 EMI 滤波器谐振并导致这些低负载条件下的传导发射增加。如果假设在满载条件下传导发射更糟，这种情况可能会被忽略。

更高功率的转换器 (~80+ W)，尤其是那些需要满足 C 或 D 类谐波电流的转换器，将具有功率因数校正 (PFC) 级，以最大限度地减少输入电流谐波。有多种实现 PFC 的方法。其中包括过渡模式控制、两相 PFC 级——其中一个相位可以在较低负载下禁用，然后启用并移相以减少较高负载下的输入纹波电流——以及固定和可变频率模式，仅举几例。所有这些技术都具有在宽交流电源变化和负载变化范围内降低功率损耗方面的优势。然而，它们也对设计在重载和低负载下有效且阻尼较小的 EMI 滤波器构成挑战。把事情复杂化，系统设计工程师通常会添加系统级 EMI 滤波器，以解决可能由 AC/DC 电源供电的系统电子设备产生的 EMI 源。在许多情况下，由于系统 EMI 滤波器和 AC/DC 电源 EMI 滤波器的阻抗不匹配，添加的系统级 EMI 滤波器会使情况变得更糟。

为了说明这个问题，下面是一些实际的例子：

一种常见的技术使用可变开关频率来降低线路电压和负载电流的功率损耗，以及突发模式/相位管理(在轻负载时脉冲跳跃或关闭一个相位)，这对于满足轻负载效率标准非常有用。这些操作条件改变了我们看待传导发射的方式。

案例研究 #1：

电源拓扑：带前端 PFC 的谐振半桥。交错转换模式 PFC 控制器，后跟一个具有突发模式的 DC/DC 级 LLC 可变频率谐振转换器。

在此示例中，电源在 120 Vac 时在 170 kHz 时超出限值 2.5 dB，而在 240 Vac 时超出限值 9.5 dB。事实证明，在 120 Vac 和中间负载下，交错式 PFC 电路关闭一个相并将另一相电流加倍以将电压提升至 400 Vdc，从而增加通过电感器的峰值电流并产生比240 伏交流电。噪声被附近的输入线路滤波器拾取并传导至线路。如果在满负载下测量，交错式转换器将在两相下运行，并且比在低负载下单相运行时具有更低的传导发射。通过一些修改，实现了一个在所有线路和负载条件下具有 6dB 裕量的解决方案。

案例研究 #2：

供应商的现成 250-W 外部电源使用了谐振 LLC 半桥转换器，该转换器在低负载下具有突发模式操作，具有连续导通模式固定频率 PFC 前端。

电源在 10% 负载时超出限值 2 dB，但在 50% 负载时超出限值 0.6 dB，在 100% 负载时超出限值 5 dB，这与我们在案例研究 #1 中发现的问题相似。

图 1：一家 OEM 的 250-W 外部电源在 25-W 负载(额定负载的 10%)下在低负载传导发射时发射失败。蓝色： 准峰值扫描。绿色： 平均扫描。BQ 线： CISPR11 B 类 l 准峰值限制。BA线： CISPR11 B类平均限制。

案例研究#3：

一家 OEM 的 30-W 能源(参见图 2 )Star Level VI 外部电源，采用绿色模式可变频率反激拓扑。

我们在不同的线路和负载条件下测试了电源。我们发现它在 120 Vac 满载时以舒适的余量通过了传导发射，但在 240 Vac 时失去了所有余量，并且实际上在降低负载时失败，无论线路电压如何。无论线路电压如何，它在 15 W 负载(额定负载的 50%)和 3 W(10% 额定负载)下也未能通过平均传导发射。

图 2：OEM 30-W VI 级外部电源。蓝色： 准峰值扫描。绿色： 平均扫描。BQ线： CISPR11 B类准峰值限制。BA线： CISPR11 B类平均限制。注意： 绿色图(平均扫描)超过平均限制线。240-Vac 30-W 负载(100% 额定负载)下的传导发射。

对 EMI 性能产生负面影响的系统滤波器示例

两个不同的电源输入模块与同一电源一起使用，以展示其对 EMI 的影响。

带有电阻负载的被测电源在 B 类限制下的 CE 裕度至少为 6 dB。供应商 A 的电源输入模块首先用作主电源和被测电源之间的接口。对传导发射进行了测试，发现它超出了限制 3.5 dB。

供应商 A 滤波器不适用于被测电源。

 

将供应商 A 的电源输入模块替换为供应商 B 的滤波器。在相同的测试条件下再次执行传导发射。结果表明它在限制下通过了 5 dB。

供应商 B 与被测电源配合良好。

结论

在许多终端应用中，峰值功率会在短时间内出现，而恒定负载功率通常在电源额定功率的 50% 左右或更低。当处于空闲模式时，系统可能会进入低功耗模式。系统需要在所有这些操作条件下符合 EMI 辐射水平。考虑到最终应用并从上述案例研究中吸取教训，必须在 100 Vac、120 Vac 和 240 Vac 下执行传导发射测试，并将负载电流从零扫描到满载，或至少在 100%、50 % 和 10% 的额定负载，以确保符合内部规范。

电源输入模块设计为低通滤波器，控制共模和差模电流。在系统中，由于其感抗和容抗干扰电源 EMI 滤波器，可能会引起谐振。选择具有合适电容和电感的电源输入模块与电源一起使用至关重要。

　　审核编辑：汤梓红