指定电源转换器噪声滤波器的电感器
2019-6-26
开关模式电源转换器的输入和输出通常会加电感电容滤波器以减少反射纹波电流和输出噪声，同时满足EMC的辐射和敏感性限制。转换器制造商有时会指定推荐滤波电感值，但是在整个频率范围内由不同元器件供货商提供的相同标称性能的部件可能会有很大的性能差异，从而导致结果不佳并且增加传导和辐射干扰。本文将探讨电感性能的不同变化。
现如今大多数电源转换器包括所有隔离式DC/DC转换器都属于“开关模式”，这种模式下，外部DC电压在高频时被“斩波”后转为AC供应给内部隔离变压器。变压器的AC输出由占空比控制调节整流后回到DC，整个过程既高效损耗又低。缺点是开关过程中在输入和输出上会产生高频纹波以及传导和辐射噪声尖峰，这些都会干扰其它设备。有一种趋势是电源转换器以更高的频率和更快的转换速率运行以提高效率，但由此产生的噪声频谱要宽得多。
LC滤波器可降低输出噪声
任何商用电源转换器都有基本滤波将纹波和噪声降低成约DC输出的1%的典型峰峰值。通常这是可以接受的，但是如果应用比较敏感则需要较低的级别，而简单的解决方法是添加一个外部LC滤波器（图1）。
图1：外部LC滤波器可降低开关模式电源的输出纹波和噪声
理论上电感阻抗在DC时为零，电容阻抗则为无穷大，因此所需的DC不会受到影响。但是随着频率增加，电感阻抗ZL增大同时电容器阻抗ZC减小，从而产生越来越大的“分压器”效应。可以选择滤波器角频率来降低转换器开关频率纹波，但噪声尖峰是由高达数十MHz的频谱组成， 因此对噪声尖峰的衰减就比较难预测。
原因是在某些频率下，当ZL和ZC的值相等时LC网络产生“谐振”，噪声被放大而不是减少，尽管这种影响会被负载电阻阻尼。以上谐振，仍有一些噪声衰减，但其他寄生效应开始出现。例如，电感器的自电容会产生另一种频率高得多的共振。这个电容也比较容易让噪声绕过电感。高频的时候因为“集肤效应”的关系，电感的磁芯损耗增加，电感器线的交流电阻也增加，电容的阻抗相对于等效串联电阻(ESR)变小，电容开始扮演电阻的角色。电容的等效串联电感（ESL）也有高频效应。如果LC滤波器的等效电路包括这些寄生组件，就会比较接近图2。
图2：具有寄生组件的外部滤波器
电感的寄生效应改变噪声衰减性能
针对电路中涉及频率的磁芯损耗的影响 ，采用LLOSS 1 ，2以及 RLOSS 1 ， 2是一种简单的建模方式；不同的LLOSS值会产生不同的阻抗，从而使不同的电阻组件RLOSS 1和2在不同的频率产生影响。增加更多的LLOSS/RLOSS网络能让模型更加精确，但是很难参考电感的规格书来计算分量值，因此如果要一个完整的电感和磁芯模型可通过经验得到数值。图3显示了带有和不带有LLOSS/RLOSS网络的滤波器衰减模拟图，其中包括L和C及其寄生分量的假定值，显示磁芯损耗对噪声的高频衰减有很大影响，在10MHz时相差了20 dB。不幸的是，磁芯损耗并没有出现在典型的电感器规格书中，并且可能变化很大。
图3：有无磁芯损耗的LC滤波器衰减对比图
输入EMC滤波器组件选择
在选择DC/DC转换器输入的EMC滤波器的商用电感时（图4），电感制造商的规格书通常只提供电感、DC电阻以及个别谐振频率的信息。尽管这可以使反射的输入纹波衰减一定的量，但是如果没有数据来定义寄生分量就很难预测噪声尖峰及频谱衰减。从输出滤波器的分析可以看出，高频效应（例如磁芯损耗）会再次对噪声衰减产生极大的影响。电感制造商不会提供相关信息是可以理解的，因为变数多了。例如，磁芯损耗不但取决于波形交流分量的幅度及形状，也取决于频率、DC电流偏置以及温度。
图4：典型的DC/DC转换器输入EMC滤波器
因此很难选到理想的电感，在最坏的情况下可能会导致传导和辐射噪声水平超过操作或法定规定。甚至可能到最终产品进行独立EMC测试时才知道答案，但是此时做任何的变动都会造成极高的成本。
如果有合适的测试设备，例如有天线和EMC室可用，则可以在电路中尝试来自不同供应商的具有相同标题额定值的电感样品，以检查实际结果。大电感值似乎不错但会降低谐振频率，体积较小的元器件可能具有较高的DC电阻进而导致电压下降，具体取决于转换器的负载和功率消耗。大电感还具有较大的自电容，因此减少了高频衰减。最后要考虑的是大电感本身会在承受负载电流阶跃时引起电压尖峰。小电感搭配大电容也是选择之一，但是如果考虑到成本和尺寸的问题而使用电解类型，它将不会有很好的高频特性。其他类型的，如陶瓷，在高频方面很好，但对于高电容值来说，价格昂贵且体积大。
正确的L和C组合会受到成本、尺寸和性能等因素影响。当选择电感时，市场上就有了一个混乱的类型选择。包括铁氧体、铁粉芯，一些特殊的选择例如多晶磁芯，然后有鼓形、环形和E型磁芯，以及也会影响性能的通孔或SMD安装选择。买家也会发现似乎相同电感规格和额定电流的器件，价格却大不相同。
所提供的每个电感器适合特定的应用场合。铁氧体的损耗最低但材料比铁粉昂贵。铁粉对过电流的耐受性也更高，比铁氧体更能保持电感。“环形”或环形磁芯的磁场泄漏较小，但比鼓形或“线轴”磁芯更难缠绕和端接。因此设计、生产、EMC、采购和制程工程师都需要参与共同选择最佳解决方案。
首选经转换器制造商验证的解决方案
作为AC/DC和DC/DC转换器制造商的RECOM了解选择合适电感器的困难，因此提供了一系列可与大多数功率转换器匹配的高性价比电感和推荐电容，而这些器件通过了他们的EMC室的传导和辐射噪声测试。客户可以利用经验证的一站式降噪解决方案的优势，节省时间、金钱，并有可能更快地进入市场。
参考文献
[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
RECOM: We Power your Products
LC滤波器可降低输出噪声
任何商用电源转换器都有基本滤波将纹波和噪声降低成约DC输出的1%的典型峰峰值。通常这是可以接受的，但是如果应用比较敏感则需要较低的级别，而简单的解决方法是添加一个外部LC滤波器（图1）。
图1：外部LC滤波器可降低开关模式电源的输出纹波和噪声
理论上电感阻抗在DC时为零，电容阻抗则为无穷大，因此所需的DC不会受到影响。但是随着频率增加，电感阻抗ZL增大同时电容器阻抗ZC减小，从而产生越来越大的“分压器”效应。可以选择滤波器角频率来降低转换器开关频率纹波，但噪声尖峰是由高达数十MHz的频谱组成， 因此对噪声尖峰的衰减就比较难预测。
原因是在某些频率下，当ZL和ZC的值相等时LC网络产生“谐振”，噪声被放大而不是减少，尽管这种影响会被负载电阻阻尼。以上谐振，仍有一些噪声衰减，但其他寄生效应开始出现。例如，电感器的自电容会产生另一种频率高得多的共振。这个电容也比较容易让噪声绕过电感。高频的时候因为“集肤效应”的关系，电感的磁芯损耗增加，电感器线的交流电阻也增加，电容的阻抗相对于等效串联电阻(ESR)变小，电容开始扮演电阻的角色。电容的等效串联电感（ESL）也有高频效应。如果LC滤波器的等效电路包括这些寄生组件，就会比较接近图2。
图2：具有寄生组件的外部滤波器
电感的寄生效应改变噪声衰减性能
针对电路中涉及频率的磁芯损耗的影响 ，采用LLOSS 1 ，2以及 RLOSS 1 ， 2是一种简单的建模方式；不同的LLOSS值会产生不同的阻抗，从而使不同的电阻组件RLOSS 1和2在不同的频率产生影响。增加更多的LLOSS/RLOSS网络能让模型更加精确，但是很难参考电感的规格书来计算分量值，因此如果要一个完整的电感和磁芯模型可通过经验得到数值。图3显示了带有和不带有LLOSS/RLOSS网络的滤波器衰减模拟图，其中包括L和C及其寄生分量的假定值，显示磁芯损耗对噪声的高频衰减有很大影响，在10MHz时相差了20 dB。不幸的是，磁芯损耗并没有出现在典型的电感器规格书中，并且可能变化很大。
图3：有无磁芯损耗的LC滤波器衰减对比图
输入EMC滤波器组件选择
在选择DC/DC转换器输入的EMC滤波器的商用电感时（图4），电感制造商的规格书通常只提供电感、DC电阻以及个别谐振频率的信息。尽管这可以使反射的输入纹波衰减一定的量，但是如果没有数据来定义寄生分量就很难预测噪声尖峰及频谱衰减。从输出滤波器的分析可以看出，高频效应（例如磁芯损耗）会再次对噪声衰减产生极大的影响。电感制造商不会提供相关信息是可以理解的，因为变数多了。例如，磁芯损耗不但取决于波形交流分量的幅度及形状，也取决于频率、DC电流偏置以及温度。
图4：典型的DC/DC转换器输入EMC滤波器
因此很难选到理想的电感，在最坏的情况下可能会导致传导和辐射噪声水平超过操作或法定规定。甚至可能到最终产品进行独立EMC测试时才知道答案，但是此时做任何的变动都会造成极高的成本。
如果有合适的测试设备，例如有天线和EMC室可用，则可以在电路中尝试来自不同供应商的具有相同标题额定值的电感样品，以检查实际结果。大电感值似乎不错但会降低谐振频率，体积较小的元器件可能具有较高的DC电阻进而导致电压下降，具体取决于转换器的负载和功率消耗。大电感还具有较大的自电容，因此减少了高频衰减。最后要考虑的是大电感本身会在承受负载电流阶跃时引起电压尖峰。小电感搭配大电容也是选择之一，但是如果考虑到成本和尺寸的问题而使用电解类型，它将不会有很好的高频特性。其他类型的，如陶瓷，在高频方面很好，但对于高电容值来说，价格昂贵且体积大。
正确的L和C组合会受到成本、尺寸和性能等因素影响。当选择电感时，市场上就有了一个混乱的类型选择。包括铁氧体、铁粉芯，一些特殊的选择例如多晶磁芯，然后有鼓形、环形和E型磁芯，以及也会影响性能的通孔或SMD安装选择。买家也会发现似乎相同电感规格和额定电流的器件，价格却大不相同。
所提供的每个电感器适合特定的应用场合。铁氧体的损耗最低但材料比铁粉昂贵。铁粉对过电流的耐受性也更高，比铁氧体更能保持电感。“环形”或环形磁芯的磁场泄漏较小，但比鼓形或“线轴”磁芯更难缠绕和端接。因此设计、生产、EMC、采购和制程工程师都需要参与共同选择最佳解决方案。
首选经转换器制造商验证的解决方案
作为AC/DC和DC/DC转换器制造商的RECOM了解选择合适电感器的困难，因此提供了一系列可与大多数功率转换器匹配的高性价比电感和推荐电容，而这些器件通过了他们的EMC室的传导和辐射噪声测试。客户可以利用经验证的一站式降噪解决方案的优势，节省时间、金钱，并有可能更快地进入市场。
参考文献
[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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