在前两部分中，我们已经探讨了军用标准以及瞬态抑制的实际方法。本文将聚焦于开关电源(SMPS)设计中一个非常常见的挑战——传导噪声的控制。我们将分析传导噪声的传播路径，并介绍相应的滤波技术。

传统上，应对母线中断通常依赖于在一次侧配置大容量储能电容，以维持系统能量。在本系列的第三部分中，我们将介绍 GAIA-Converter 的一种新思路——在板载模块中集成升压变换器，从而在满足相同保持时间(hold-up time)的前提下，大幅降低所需电容值。

噪声传播模式

DC-DC 转换器作为开关型电源，会在输入端和输出端产生传导噪声。这种噪声表现为叠加在直流电流上的交流电流波形，并包含多个频率谐波。这些谐波主要来源于开关器件(如 mosfet 和整流二极管)，在瞬态过程中与寄生电容或寄生电感共同形成高频谐振回路。

传导噪声主要有两种传播模式，不同模式需要采用不同的抑制方法：

差模(DM，Differential Mode)噪声

差模噪声的电流在正极导线与其回流路径(负极导线)之间流动。这类噪声相对容易抑制，通常只需一个基本的 LC 滤波器即可，衰减斜率约为 40 dB/decade，就能满足大多数规范要求。

共模(CM，Common Mode)噪声

共模噪声更难消除，其电流同时流经正、负两条导线，并通过接地(机壳地)回流。它主要通过寄生电容传播，例如隔离屏障两侧或与机壳的耦合电容，在传播路径上感应出交流电压。共模噪声通常由高 dV/dt 的开关瞬变引起，频率也往往更高。

在 DO-160 和 MIL-STD-461 标准中，限值通常以 dBµA 表示：

图1

图2

(或在 50 Ω 系统中，以等效的 dBµV 表示)

测试时，需要在被测设备(D.U.T)输入端与实验室电源之间接入线路阻抗稳定网络(LISN)。LISN 的作用是隔离实验室电源的干扰，并为频谱分析仪提供一个标准化的 50 Ω 测试端口。

图3

使用分立器件设计滤波器，或采用现成模块(COTS)

在隔离型 DC-DC 转换器中，降低共模噪声的第一种方法是在隔离屏障两侧并联电容。如果输入端与输出端之间所加的电容值远大于隔离屏障本身的几皮法寄生电容，那么在高频噪声电流下，隔离屏障的阻抗将显著降低，从而减小噪声电压。

如果系统具备机壳地，效果会更好：可以在高噪声节点与机壳之间放置四个电容(如图 4 所示)。为了获得最低阻抗，共模电容应尽可能靠近转换器引脚和接地平面布置，以减小引线电感，避免形成不可控的谐振。

图4

在某些情况下，还可以在共模电容两端并联一个吸收(snubber)电路，以进一步降低电容在自谐振频率附近的总阻抗(同样如图 4 所示)。不过，大多数贴片陶瓷电容的自谐振频率已经足够高，通常不会与 SMPS 共模噪声的主要谐波重叠，因此很多应用中可以省略该吸收电路。

分立滤波器设计中的关键考量

从表面看，分立滤波器的设计似乎比较简单，因为它们通常只包含无源器件。一般设计流程是先选择一个 LC 滤波器，其参数与 DC-DC 转换器的开关频率相关。但在实际工程中，还必须认真考虑以下问题：

· 滤波器的品质因数(Q)应设定为多少?

· 如何对浪涌引起的过电压进行阻尼?

· 如何限制由内部电容引起的浪涌电流(Inrush Current)?

在多数情况下，滤波器中还会加入一个或多个共模电感，以进一步抑制共模噪声。直接选用市场上的标准共模电感虽然最省事，但往往会导致器件尺寸偏大。这是因为，为了满足所需电感量，工程师往往只能选择额定电流远高于实际需求的型号，结果造成体积浪费。

一种更优的方案是定制共模电感。共模电感通常由一个铁氧体磁芯和同向绕制的两组线圈组成：

对于差模电流(电流方向相反)，磁通相互抵消，磁芯几乎不呈现阻抗;

对于共模电流(电流方向相同)，磁通叠加，磁芯阻抗最大。

定制共模电感的主要优势在于：由于差模磁通相互抵消，磁芯不需要为直流电流设计很高的饱和电平，因此可以选用更小、更合适的磁芯。但这种方案也对设计能力提出了更高要求，需要精确计算、严格验证，并投入较多时间。

GAIA 在过去 25 年中完成了这一工作，开发出一整套与其 DC-DC 转换器完全匹配的无源滤波器，确保系统满足 EMI 要求。

这些滤波器在体积、浪涌电流限制方面进行了优化，并已通过军用和航空级认证。GAIA 滤波器系列覆盖 2 A / 50 V(FGDS2A50V)到 35 A / 100 V(FGDS35A100V)，可支持 50 W 至 500 W 的电源设计。全系列工作温度范围为 −55 °C 至 105 °C，MTBF 高达 800 万至 2700 万小时。

保持功能(Hold-up)：在母线中断期间维持供电连续性

在电源切换和母线中断方面，DO-160G 标准给出了明确要求：

A 类设备需在最长 200 ms 中断内保持工作;

B 类为 50 ms;

D 类和 Z 类可达 1 s。

ABD100 也提出了类似要求。

在军用领域，MIL-STD-704 允许母线电压下降至 0 V，最长可达 7 s，但只要求设备不被损坏，并不要求不中断运行。

为了满足这些严苛要求，最简单且有效的方法之一是在 DC-DC 转换器前端配置一个储能电容。通常使用铝电解电容，或等效的钽电容。该电容在母线掉电时作为能量缓冲。

但这种方案需要注意：如果没有限流电阻，上电瞬间电容会产生巨大的浪涌电流。因此，通常会在串联路径中加入一个电阻来限制电流;而在能量释放阶段，为避免电阻带来的损耗，又需要用并联二极管将其旁路。

图5

图6

在图 5 所示的基本结构中，要在转换器输入端(最低工作电压 9 V)维持 100 W 功率、保持时间 50 ms，所需电容值可以通过简单计算得到(如图 6)。

GAIA 的模块化 Hold-up 解决方案

为了更高效地解决上述问题，GAIA 开发了一种体积极小的 hold-up 模块，在正常工作时可将 28 V 母线电压升压至 80 V。该方案使所需电容值大幅降低，在示例中减少了近 10 倍，仅需约 1580 µF。

表1

除了储能功能，这些 hold-up 模块还集成了多项关键特性，例如：

可调的掉电检测阈值，精确匹配转换器最低输入电压;

可调的电容电压，用于优化能量存储;

反接保护等多种附加功能。

经过多年积累，GAIA 已形成完整的 hold-up 产品系列，既简化了电源设计，又显著减少了原本由大容量电容组占用的 PCB 空间。

图7

总结与展望

一旦充分理解了传导噪声的传播机理，滤波设计就会变得相对直接，尤其是在采用 GAIA 集成滤波器的情况下。同样，像 DO-160 或 MIL-STD-704 这类对母线中断要求严格的标准，也可以通过 GAIA 的 hold-up 模块轻松满足。

图8

这些模块能够在任意中断时长下显著降低所需的储能电容值，从而在满足规范的同时，避免使用体积庞大的电容器。图 8 给出了一个符合标准的模块化电源架构示意图，其中前端各功能模块分别对应标准中的不同要求。

至此，一个完整、合规的电源前端架构已经成形。在本系列文章的第四部分(也是最后一部分)中，我们将深入探讨能量转换的核心，展示如何在前述功能模块的基础上，构建一套完整、符合标准的电源系统。