这些滤波器是根据电源转换设备的电磁特性定制设计的。然而，为了满足军用设备的需求，必须考虑某些电气（例如电压尖峰、纹波）、机械（例如振动、冲击）和环境（例如高海拔）方面的设计限制。本文讨论了军用设备直流电源模块前端滤波器的设计考虑因素和测试要求。.
什么是前端滤波器？
这种输入滤波器的设计对于满足电磁兼容性 (EMC) 标准和目标至关重要。前端滤波器，或称输入滤波器，用途广泛：
• 抑制可能进入电源第一级的噪声和浪涌；
• 降低开关频率及其谐波产生的噪声。
开关电源在电子设备中的应用日益广泛，其频谱范围很广，这些噪声可能通过物理接触传导到电路的其他部分，并干扰附近的敏感电路。随着开关速度的提高，噪声问题变得越来越严重，尤其是在晶体管快速开关时，电流中断（导致电压尖峰和高频噪声）会造成更大的干扰。这些电流中断可能发生在降压转换器的输入端、升压转换器的输出端，以及反激式和升降压转换器的输入端和输出端。
各种稳压器中的噪声源：
DC/DC降压转换器的输入端特点是开关器件快速导通和关断，导致输入电容中出现具有陡峭上升沿和下降沿（高di/dt）的不连续电流。这将导致频率和多个谐波（通常是低次谐波）不符合规范。工作在连续导通模式 (CCM) 的升压转换器由于需要快速反向恢复二极管，其输出端会产生电磁干扰 (EMI)。虽然这些二极管可以显著降低功率损耗，但它们的电流变化率 (di/dt) 更大，从而加剧电磁干扰。在断续导通模式 (DCM) 下，初级电流纹波更高。该纹波会产生一个可变信号，并通过共用触点的导体传导至系统的其他部分。
电磁干扰 (EMI)：辐射发射和传导发射。
传导发射通常与低于 30 MHz 的频率相关，而辐射发射通常对应于高于 30 MHz 的频率（通常在 50 至 300 MHz 之间）。然而，传导发射和辐射发射之间仍然存在一些重叠。在开关电源中，电压尖峰（高 dV/dt）通常是辐射发射的来源。如前所述，传导 EMI 通常源于不连续电流（高 di/dt），并且可以分为共模 (CM) 噪声和差模 (DM) 噪声。
差模噪声和共模噪声
差模电流通常主要受 di/dt 的影响，并在电源线和回流路径之间流动；差模噪声主要影响低频。通常很难在不从根本上改变电路的情况下改变 di/dt 的特性。通常使用无源低通EMI滤波器（例如RC缓冲电路、LC缓冲电路、π型滤波器、T型滤波器等）来抑制由不连续电流引起的振荡，从而降低di/dt。
共模电流通常是dV/dt的函数，会在每条电源线和地之间流动。当共模电流在长导线或电缆中耦合时，电缆会起到天线的作用，使共模噪声在高频段更加显著。根据电缆长度以及导线与参考地平面之间的距离，意外回流路径的环路面积可能相当大。通过有效的设计可以显著抑制共模噪声，例如将导线靠近参考地平面、仔细安装安全电容器、屏蔽连接的线束或在共模电流路径上放置共模电抗。共模电抗提供了一个高阻抗串联路径，允许共模电流流出转换器，而Y电容则形成一条EMI并联接地路径。
差模和共模都会产生EMI，因此在设计EMI滤波器以满足行业EMC标准之前，通常需要对差模和共模噪声分量进行量化。输入EMI通常使用位于被测设备（DUT）输入端的线路阻抗稳定网络（LISN）以及频谱分析仪进行量化。
前端滤波器设计注意事项：
通常，无源EMI滤波是噪声抑制最常用的方法；然而，当滤波器端接开关电源（SMPS）中不同的噪声源和负载阻抗时，其设计会面临挑战。这些滤波器通常由电阻、电容和电感的各种组合构成。基波及其前两个谐波的幅值最大，对总噪声的贡献也最大，而高次谐波的幅值则随着频率的增加而减小。滤波器对这些噪声分量的衰减能力也随频率的增加而增强，因此，抑制基频和低次谐波噪声是一项重要的设计挑战。
通常，大型无源滤波器可以衰减低频噪声；然而，由于高频噪声的寄生特性（例如，电容的等效串联电阻和电感（ESR/ESL）以及电感的并联电容），可能需要额外的设计考虑。其他电磁干扰滤波技术通常涉及有源元件：例如，利用扩频或抖动技术来调制电源的开关频率，从而降低频域中的峰值和低次谐波。最终，所采用的技术取决于开关电源独特的噪声特性，以及设计的成本、尺寸和法规限制。
除了满足电磁兼容性标准外，电磁干扰滤波器还可以衰减从负载反射到开关电源输入端的瞬态电流。每个开关电源的瞬态特性各不相同，因此通常需要定制设计才能充分抑制浪涌。这对于军用规格的电力电子产品来说无疑是一个额外的设计考虑因素。军用设备必须满足一系列电气、机械和环境设计要求，这迫使制造商从一开始就精心设计电力电子产品：必须检查材料，并且必须满足电气、机械和环境性能要求。
本文概述了电源的常见军用标准：
MIL-STD-461 标准规定了电气设备传导和辐射发射的限值，并提供了精确测量电磁干扰 (EMI) 的指南。如果开关电源 (SMPS) 的 EMI 超过这些限值（这种情况很常见），则需要使用 EMI 滤波器才能使其符合标准。然而，选择任何市售的 EMI 滤波器并不一定能使电源立即符合标准要求；设备本身的噪声可能非常大，以至于在输入端添加任何 EMI 滤波器都会导致设备继续出现故障。表 1 列出了各项 MIL-STD-461 标准要求及其说明。符合 MIL-STD-461 标准的电子设备通常会列出其满足的具体 CE、CS 和 RE 要求。
电磁干扰 (EMI) 并非电子元件性能、可靠性和安全性的唯一考量因素。电源还必须能够在各种电压条件下工作，包括反极性、电压尖峰和过电压。MIL-STD-1275E 标准规定了 28V 电源系统输入端的测试条件以及此类设备的预期性能参数。这些系统预计将应用于军用地面车辆、民用越野车辆以及重型军用和民用设备。
其他军用标准，例如用于飞机电源特性的 MIL-STD-704F 和用于机载设备的 DO-160G，则规定了能够充分模拟各种电压条件的环境条件和测试程序。MIL-STD-810 标准包含了将承受机械冲击、振动和高海拔环境的设备的测试条件和要求。这对于确保电源在恶劣环境下的使用寿命和可靠性也至关重要。用于军用车辆和机载系统的电源通常需要满足 MIL-STD-1275E/MIL-STD-704F、MIL-STD-461 以及 MIL-STD-810 的部分要求才能被视为适用。P-DUKE（由 Electrónica OLFER 在西班牙和葡萄牙经销）提供一系列符合军用标准的 MCF 前端滤波器，可与指定的 DC/DC 转换器配合使用，以满足所有这些规范。P
-DUKE MCF 系列：
MCF 系列提供 EMI 滤波和瞬态保护，以满足 MIL-STD-461G 的传导发射、传导敏感性和辐射发射要求，众多军用标准的浪涌/尖峰要求，以及 MIL-STD-810 的海拔/冲击/振动要求（表 2）。
该系列产品提供主动式输入浪涌保护，可将高达 100V 的浪涌电压抑制至安全水平 40V，持续时间最长为 50ms，并可通过内部保护电路吸收 +/-25V 的峰值电压（图 1）。
如图 2 所示，该系列产品还包含其他主动保护功能，例如远程开关控制、过载保护、输出短路保护、反极性保护、浪涌电流限制等。
图 3 展示了 EMI 性能的显著提升，该图展示了 200W HAE200 DC/DC 转换器在应用 MCF 滤波器前后的 EMI 性能测试结果。这大大降低了定制 EMI 滤波器和外围电路的成本和设计工作量。MCF 前端滤波器的额定功率高达 250W，可广泛应用于各种军用设备。
图 3：HAE200 DC/DC 转换器与 MCF 滤波器配合使用，满足 MIL-STD 461G EMI 要求。
MCF滤波器可实现与军事系统的无缝集成。EMI
滤波器不能随意选择以使电源符合规范，而且这些滤波器的设计过程可能相当复杂，并具有较高的非重复性工程成本（NRE）。
对于军用级设备而言，这一点尤为重要。军用车辆和飞机上的车载子系统通常由 24V 电池或 28V 发电机供电，对多个方面都有着严格的要求，这使得现成的商用设备和定制解决方案难以满足实际需求。P-DUKE 和 OLFER Electronics 提供 15-250W 的 DC-DC 转换器，这些转换器与相应的 MCF 前端滤波器配合使用时，能够满足军用级电磁兼容性和浪涌抑制的要求。.
作者：P-DUKE POWER 技术部
市场部 OLFER Electronics
