符合ATCA PICMG3.0的电源设计

中电华星技术支持十二月 21,2007

FCC和VDE标准是全世界通用标准，许多国家的标准都是根据这两个标准制订的。只要满足FCC/VDE B级的要求，电子设备就可以安装在任何地方。传导噪声是噪声电流在输入电源线上产生的噪声，噪声电流是由交流市电供电的设备中的高频开关电路产生。这些噪声电流包括共模噪声电流和差模噪声电流。噪声电流在市电和设备电源之间流动，并且最终返回到市电。共模传导噪声电流是指在正负输入端同时流动的单向(同相)分量，通常该电流都从接地线返回到电源，差模传导噪声电流是在两条电源线中相位和方向均相反的噪声电流分量。

开关电源的开关频率一般在100kHz~1MHz之间。反射到电网之传导噪声频谱上的主要尖峰来自开关频率之基频及其谐波分量。按EN55011及EN55022的要求，反射到电网之传导噪声在150kHz至300MHz幅度间需附合规定之上限。为符合这些要求，需要滤掉EMI噪声，加接EMI滤波器是最常用的手段。一般的EMI滤波器是穿孔式的，带上共模扼流圈和Y电容，再加2个电感器和X电容，瞬变保护由Z1负责。这种结构备足够插入损耗以符合级别B传导噪声放射限制的标准。下面会讨论把电容、电感、及有源和无源滤波器遂一加上后的效果，并提出另一方案。

图1a左边是一个48V DC/DC转换器，在输入端接上差模电容C1(120μF, 100V)以保持低输入阻抗，并稳定电压、提升瞬变反应。它为模块储能，靠近输入端，效果最佳。图1a显示了48V 输入、150W满载工作的DC/DC 转换器连接差模电容后的噪声水平，以及按级别A及B要求的EMI和谐波标准。很明显，这个方案不能满足要求。图1b增加了旁路电容(C2, C3)及差模电容(C1)。清注意每个接在输入和输出端上旁路电容都通过基板接地。它们通常是4,700pF，100V Y电容。虽然噪声水平仍未达到标准，但已有明显改善。图1c再增加了一个27μH 的差模电感(L1)，但它的低频噪声仍达不到级别B的标准。在图1d中用共模扼流圈取代差模扼流圈，共模扼流圈本身也具差模电感，可取代差模扼流圈，共模扼流圈对转换器产生的共模噪声形成高阻抗，使噪声沿着较低阻抗的路径，经Y电容传入地。

图1：48V、150W DC/DC转换器连接不同器件的噪声频谱图，(a) 差模电容；(b) 旁路电容；(c) 差模电感；(d) 共模滤波器(去掉差模扼流圈)。

48V转换器的噪声现在只是稍稍高于级别B标准，需要再加滤波器。3.3V转换器无论是满载或半载都完全符合级别B标准。在通讯领域，以前只要求离线电源符合EMI要求。2003年后，PICMG(或AdvancedTCA)修订了新标准，要求DC电源板的传导EMI噪声必须达到EN55022B的标准。每块电源板都要加上滤波器，以滤掉噪声。但通讯应用对占用空间少、功能多的要求并没有改变，因此在电源板增加滤波器的设计压力更大。ATCA PICMG3.0规格支持频宽为2.5Tb的19英寸机架。一个满的ATCA机架可载有14块电源板，体积是19×21×15英寸。为支持更多功能，每一个电源板都可以提供200W功率电源。由于每块电源板都由48V DC电源供电，所以需要在电源板上进行电压转换。这个过程将产生传导和辐射噪声，为减少板与板、机架与机架间的噪声干扰，ATCA要求在电源板上滤掉EMI传导噪声。

PICMG3.0申明，每一块电源板都要符合EN55022B的传导噪声要求，与此同时，PICMG3.0要求整个机架的EMI噪声不能超标。若采用在板上分散滤波的方式，则滤波器较小，否则处理整个机架的60A电流将要求很大的电感器。图2b为有源EMI滤波方案，这个有源滤波器可衰减150kHz~30MHz之间的共模及差模噪声，以满足EN55022(CISPR22)要求。该有源滤波器的规格是：输入电压为48V输入(36~76V DC)，额定电流为7A，可支持多种DC/DC转换器。