【实践篇⑧】电源的EMC对策

DC-DC转换器是与电力损耗和噪声的斗争

在搭载IC的电子设备中开关方式的电源为主流。虽然拥有小型、轻量、高效的特点，但它们也会产生噪声，因此需要采取彻底的EMC对策。此外，随着近年来越来越多的DC-DC转换器采用POL（point of load）方法进行分散配置，作为无源器件的功率电感器需要采取新的噪声对策。

通过插座提供的交流电流混有噪声

从发电站通过输电线路和变电站向家庭、办公室和工厂供应的商业AC（交流）电流并不十分稳定。每当大量消费者开关电源时，不仅电压会产生波动，理论上正弦波的波形也会因噪声成分等导致发生失真。变电站通过不断监测配电系统，并使用滤波器来修正波形失真。这是通过利用电容器和线圈的基本特性实现的，电容器不会让直流通过，但频率越高则会更容易通过，而线圈则允许直流顺利通过，但频率越高则越难通过。由于用于高压及大电流用途之中，因此体积较大，但它们的原理与电子设备中搭载的LC滤波器相同。

虽然在使用白炽灯和电加热器时，稍稍不稳定的AC电流不会造成问题，但在使用IC的电气和电子设备中，噪声会随着AC电流侵入，从而会导致IC故障或被损坏。因此，在AC电源的输入端会插入噪声滤波器。例如，在台式电脑的主体中，在插入AC电线的电源连接器（包括接地端子在内的3端子）中会搭载插座型的小型噪声滤波器，以便在消除叠加在商用AC电流上的噪声之后，通过电源电路将交流转换为直流。笔记本电脑等移动设备使用来自电池的直流电流，但当从AC插座中获得电力时，它们会连接一个将交流转换为直流的AC适配器，在为电池充电的同时进行使用。然而，无论AC电源线的传导噪声被隔绝得多好，都需要采取其他对策来处理电子设备电路内部产生的噪声。这是因为因各种原因产生的噪声也会进入到本该只流过稳定直流的DC电源线中。尤其在近年，随着IC的低电压化、大电流化和高频化的发展，DC电源线中的无源元件需要具备比过去更严格的特性。

AC转换为DC的方式包括串联方式与开关方式

电子设备由直流驱动，因此需要一个将交流转换成直流的装置。转换方法大致分为串联和开关方式。串联方式是一种使用电源变压器来转换交流电压，然后将其整流为直流的方式。而开关方式则是将交流转换为直流后，通过半导体器件的开关，使用高频变压器转换电压的方式。在开关方式中，变压器和其他元件的体积较小，因此整体可实现小型、轻量化。同时，开关方式在能量转换效率方面也很优秀，因此电子设备的电源和AC适配器主要采用开关方式。

在来自发电站的输电线中，由于电线的电阻，大量的电力会以热量的形式流失。同样地，由于DC电源线的布线，电子设备内部也会出现电力损耗。特别是在笔记本电脑和智能手机等移动设备中，为了延长电池驱动时间，减少电力损耗是一个重要课题。近年来，产品开始通过在靠近IC的部位放置专用DC-DC转换器来提供所需电压的直流电流。这种从传统的集中电源转变为分散电源的方法被称为POL（Point Of Load）。

通常用作POL电源的是组合了电感器（线圈）、电容器、半导体器件（驱动器IC、控制器IC）的斩波器振方式DC-DC转换器。直流电流无法通过变压器转换为电压。在斩波器振方式DC-DC转换器电源中，直流电流被切为小块（斩波），这些小块被连接在一起以获得稳定的电压直流。

对于具有AC输入的开关电源，需要满足噪声标准，并且会在输入端使用共模滤波器等EMC对策元件。目前没有针对DC-DC转换器的噪声标准，但随着IC的低电压化、大电流化的发展，DC-DC转换器也会在高频下开关大电流，因此产生高频噪声的问题相比以前进一步得到了重视。

在POL中所无法忽视的功率电感器漏磁

尽管DC-DC转换器拥有小型、轻量、高效的特点，但从根本上说，它们存在容易受到半导体器件开关所产生的噪声影响的弱点。虽然会插入铁氧体磁珠，或在输出端安装滤波器电路作为噪声对策，但这会导致电力损耗，降低效率，并且会在移动设备中缩短电池驱动时间。出于这个原因，噪声对策元件也被设计成尽可能低的电力损耗，例如使用低电阻片状磁珠（TDK MPZ系列）等。同样有效的是使用具有更好的高频特性的电容器，缩短大电流流经的配线，并且减少功率电感器的漏磁。
用于DC-DC转换器的功率电感器是在磁性材料磁芯上进行缠绕的器件，一般情况下，磁通路径上会设置间隙，以防止磁芯被线圈中产生的磁场所饱和。然而，从这个间隙中泄漏的高频磁通会造成麻烦的问题。噪声的产生是由于与配线和外围元件的磁耦合。
因此，TDK开发了功率电感器VLM系列，它使用低磁芯损耗、高Bs（饱和磁通密度）的锰锌（Mn-Zn）铁氧体作为磁芯，并且在外表面采用了无间隙的磁耦合型结构。口字型磁芯和圆柱形磁芯的组合会在内部形成了一个空隙，这大幅减少了漏磁，因此可以在更大的电流下使用。

同时，功率电感器SPM系列还利用了金属磁性材料，其饱和磁通密度相比铁氧体更高。金属磁性材料具有较低的电阻，因此在高频范围内涡流损耗会增加，但SPM系列的磁芯是通过树脂对金属磁粉进行涂装，并经过压缩成型制成的压粉磁芯。树脂成分可直接发挥间隙的作用，因此漏磁可分散到整个区域，从而实现优良的特性。此外，SPM系列是一种模压产品，它将绕组插入至金属磁粉磁芯材料之中后一体成型而成。由于具有小型、薄型的特点，且可靠性优异，因此它成为了对于需要应对大电流的CPU驱动电路、通信基站用电源等而言最为理想的先进功率电感器。

TDK提供有绕组型、层压型、薄膜型等各类功率电感器。详情请参照TDK产品中心“电源电路用电感器选型指南”。
https://product.tdk.com.cn/zh/products/selectionguide/smd-commercial.html