卜俊怡 劉佳祺 季清

摘 要：在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的EMI濾波器時(shí)，既需要保證產(chǎn)品滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，又需要考慮濾波器的體積、重量和成本問(wèn)題。典型的EMI濾波器一般采用單級(jí)結(jié)構(gòu)，有時(shí)為了獲得更好的濾波效果，也會(huì)采用多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)。本文以共模濾波器為例，將銅材成本作為主要考慮，研究了多級(jí)EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為單級(jí)和多級(jí)濾波器的選擇提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)電磁干擾；EMI濾波器；共模電感

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.115

0 引言

在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波器時(shí)，一般采用單級(jí)濾波器結(jié)構(gòu)，有時(shí)也選用多級(jí)EMI濾波器以獲得更好的濾波效果。事實(shí)上，在采用單級(jí)濾波器就能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，選用多級(jí)濾波器反而增加了不必要的成本，降低了功率密度。目前，電源設(shè)計(jì)人員仍然缺乏單級(jí)與多級(jí)濾波器的選擇依據(jù)。如何配置多級(jí)濾波器的元件參數(shù)，才能夠利用有限的資源實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的濾波效果，也是多級(jí)濾波器設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。

本文首先以單級(jí)共模濾波器為例，介紹EMI濾波器的重要性能指標(biāo)衰減特性的概念及測(cè)試方法。其次，結(jié)合文獻(xiàn)[1]–[5]的研究?jī)?nèi)容，總結(jié)了EMI濾波器設(shè)計(jì)的經(jīng)典方法。然后通過(guò)理論計(jì)算與分析，對(duì)比單級(jí)與兩級(jí)共模濾波器的性能差別，同時(shí)給出優(yōu)化設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，指出轉(zhuǎn)折頻率與元件取值以及諧振頻率與元件取值的關(guān)系。最后，本文以最小用銅量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波效果為目標(biāo)，給出了單級(jí)和兩級(jí)共模濾波器的選擇依據(jù)。

1 傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試原理

所有的電源產(chǎn)品在進(jìn)入市場(chǎng)之前，都必須通過(guò)傳導(dǎo)干擾的測(cè)試認(rèn)證。在產(chǎn)品中加入EMI濾波器的目的是保證電源產(chǎn)品滿足相應(yīng)傳導(dǎo)干擾標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖1給出了傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試的基本原理圖，其中LISN（Line Impedance Stabilization Network，LISN）為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，EUT（Equipment Under Test，EUT）為被測(cè)試的設(shè)備。

在設(shè)計(jì)EMI濾波器時(shí)，通常需要將傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾進(jìn)行測(cè)試[6]，然后分別設(shè)計(jì)共模和差模濾波元件。圖2給出了分離測(cè)試的基本原理。其中，共模干擾電流iCM和差模干擾電流iDM分別定義為在L線和N線上的同相電流和反相電流。相應(yīng)的，iCM和iDM在50Ω阻抗上產(chǎn)生的壓降VCM和VDM定義為共模電壓和差模電壓。

2 EMI濾波器的衰減特性

圖3為常用單級(jí)EMI濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中LCM為共模電感，CY為共模電容，LDM為差模電感，CX1和CX2為差模電容，LISN可以簡(jiǎn)化為50Ω電阻，如圖3中虛線框內(nèi)所示。差模電容可以在L線和N線之間提供低阻抗濾除差模干擾，對(duì)共模干擾只有平衡作用[7]。圖4給出了共模濾波器和差模濾波器的等效電路。

文獻(xiàn)[1]，[2]和[3]中討論了干擾源阻抗對(duì)EMI濾波器設(shè)計(jì)的影響。文獻(xiàn)[8]和[9]的研究提供了EMI濾波器高頻性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

以Boost電路為例，如圖5所示，開(kāi)關(guān)管QB漏極與源極間電壓有較大的dV/dt，通過(guò)漏極與散熱片之間的寄生電容Cp1引起共模干擾。若將QB漏極與源極間電壓看作是電壓干擾源，則可以建立共模干擾的等效電路[10]。

用諾頓等效電路表示干擾源時(shí)，電流干擾源ICM=VDS·jωCp2與源阻抗ZSCM=1/（jωCp2）并聯(lián)，如圖7所示。

由圖15可以看出，可以將36.12dB的直線稱作是單級(jí)和兩級(jí)濾波器設(shè)計(jì)的“等用銅線”。直線36.12dB以上，兩級(jí)濾波器的衰減小于等用銅的單級(jí)濾波器，而直線36.12dB以下，兩級(jí)濾波器的衰減大于等用銅的單級(jí)濾波器。

6 總結(jié)

本文主要研究了單級(jí)和多級(jí)濾波器的優(yōu)化選擇方法。以共模濾波器的用銅成本作為主要考慮依據(jù)時(shí)，若單級(jí)和兩級(jí)濾波器的參考頻率點(diǎn)相同，則可以根據(jù)該點(diǎn)出現(xiàn)在36.12dB直線的上方還是下方，來(lái)決定使用單級(jí)還是兩級(jí)濾波器。出現(xiàn)在直線上方時(shí)，由于等用銅量情況下單級(jí)的衰減大于兩級(jí)，選用單級(jí)濾波器可以節(jié)約銅材；出現(xiàn)在直線下方時(shí)，等用銅量情況下兩級(jí)的衰減大于單級(jí)級(jí)，選用兩級(jí)級(jí)濾波器可以節(jié)約銅材；參考頻率點(diǎn)需要的衰減等于36.12dB時(shí)，用單級(jí)和兩級(jí)濾波器用銅相等。以體積和其它成本作為主要考慮依據(jù)時(shí)，可以參考本文的優(yōu)化方法，設(shè)定選擇依據(jù)。

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