优化用(yòng)于开关電(diàn)源的EMI输入滤波器

2020-09-23

EMI和宽带隙半导體(tǐ)的重要性

由于开关大電(diàn)流的特性，SMPS会产生大量噪声。SMPS拓扑的选择很(hěn)重要，并且会影响滤波器的设计。例如，双交错升压拓扑产生的噪声比简单升压转换器产生的噪声小(xiǎo)。一旦选择了拓扑，就有(yǒu)几个设计参数会影响噪声水平。转换器的开关频率是一个关键值。通常，选择高开关频率以获得紧凑的设计。但是，高开关频率可(kě)能(néng)会导致EMI过多(duō)。

了解开关元件的上升和下降时间与产生的噪声之间的相关性非常重要。通常，快速开关元件是首选。如今，即使是基于SiC或GaN的宽带隙器件在功率转换器设计中非常流行，以提高效率。如果设计不是很(hěn)仔细地优化以避免产生噪声，那么这种快速开关元件会加剧噪声的产生。除了设计参数之外，在包括印刷電(diàn)路板在内的整个设计中将寄生元素减到最少总是有(yǒu)帮助的。例如，高压开关元件与与金属外壳的连接以进行冷却将产生一个寄生電(diàn)容，该寄生電(diàn)容可(kě)以用(yòng)作共模噪声离开系统的路径。

EMI输入滤波器的典型结构

EMI输入滤波器通常由两个功能(néng)部分(fēn)组成：一部分(fēn)抑制不想要的共模噪声，另一部分(fēn)抑制差模噪声。对于AC / DC转换器，差模EMI滤波器部分(fēn)的关键组件是差模電(diàn)感器和X電(diàn)容器。对于共模EMI滤波器部分(fēn)，共模扼流圈和Y電(diàn)容器。在某些情况下，由于共模扼流圈也可(kě)以充当差模電(diàn)感器，因此可(kě)以省略差模電(diàn)感器。 

分(fēn)离共模和差模噪声

EMC标准要求测量两条電(diàn)源線(xiàn)上的传导辐射，并且在该频率范围内的每个频率上電(diàn)压均低于指定的极限。依次在一条電(diàn)源線(xiàn)上执行此测量，然后在另一条電(diàn)源線(xiàn)上执行。尽管这足以通过传导性发射测试标准，但它无法提供对噪声传播机制的任何见解，因為(wèi)该测量是导體(tǐ)上共模和差模噪声的组合。噪声電(diàn)流如何在系统内流动的原理(lǐ)如图1所示。

图1：共模/差模流程

共模電(diàn)流部分(fēn)Icm从两条線(xiàn)上的DUT（被测器件）流入LISN，然后通过外部接地路径流回DUT，导致外部接地路径中两个電(diàn)流部分(fēn)的总和。正极和负极上的振幅和相位都相同。差模電(diàn)流显示出不同的特性。正极导體(tǐ)上的電(diàn)流流入LISN，噪声的返回路径為(wèi)负极导體(tǐ)。唯一的區(qū)别是这两个電(diàn)流之间的相位。它们相差180°，理(lǐ)想情况下应该抵消。只需一点数學(xué)，就可(kě)以分(fēn)离共模和差模噪声项。使用(yòng)各个電(diàn)流：

I P = I CMa + I DM

I N = I CMb  – I DM

我们可(kě)以轻松计算出两条导體(tǐ)上的電(diàn)压：

V P =（I CMa + I DM）* Z LISN

V N =（I CMb  − I DM）* Z LISN

基于各个電(diàn)压与共模和差模電(diàn)压之间的关系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我们可(kě)以如下计算共模電(diàn)压和差模電(diàn)压：

V CM = V P + V N

V DM =½（V P -V N）

简单的减法运算得出的值是差模噪声電(diàn)平的两倍，或者是额外的6dB，这在结果评估期间必须予以考虑。使用(yòng)这些简单的计算，可(kě)以區(qū)分(fēn)共模噪声和差模噪声（包括从差分(fēn)结果中减去6dB）。如果设置（電(diàn)缆，LISN的组件等）尽可(kě)能(néng)对称，则简单的数學(xué)计算效果最好。必须同时测量两条导體(tǐ)上的噪声。图2显示了一个简单但有(yǒu)效的设置，用(yòng)于分(fēn)离共模和差模噪声。双输出LISN（或两个相同的LISN）用(yòng)于探测两条電(diàn)源線(xiàn)，并且信号通过两个通道的两个通道捕获。示波器。求和信号和差信号在示波器上以及（快速傅立叶变换）FFT上进行计算。这样可(kě)以直接访问共模和差模噪声信号。 

图2：增强的测量设置 

虽然两个LISN之间的任何非对称性都会对测量结果产生一些影响，但实际上该方法可(kě)提供合理(lǐ)准确的结果。要考虑的重要方面是使用(yòng)相同的電(diàn)缆長(cháng)度，以及使用(yòng)质量足够的電(diàn)缆以避免时间偏移或幅度损失，这将直接影响分(fēn)离噪声分(fēn)量的能(néng)力。

此外，应使用(yòng)具有(yǒu)足够低的噪声前端，直接输入频率参数（例如开始和停止频率或分(fēn)辨率带宽）以及足够快速的FFT功能(néng)的示波器。

案例分(fēn)析

用(yòng)于演示新(xīn)方法的DUT是一个简单的降压降压转换器。DUT输入滤波器是简单的PI-LC滤波器，对于衰减差模噪声非常有(yǒu)效。该设置使应用(yòng)或排除PI-LC-Filter变得简单。PCB上不包含共模滤波器，因此共模扼流圈从外部连接到PCB。转换器没有(yǒu)外壳。PCB只需放在金属接地平面上的隔离块上即可(kě)。该设置有(yǒu)意避免产生过多(duō)的共模噪声。

如图3所示，第一次测量是為(wèi)了显示输入功率导體(tǐ)中的最高频谱。DUT关闭时，参考電(diàn)平测量已经确定了系统的噪声電(diàn)平。在执行FFT之前，通过将和表达式除以2，可(kě)以补偿差分(fēn)模式下额外的6dB。对于共模，直接使用(yòng)总和表达式，因為(wèi)共模噪声的总量由两个测量通道之和表示。

图3：未应用(yòng)EMI滤波器

参考線(xiàn)中300 kHz处的峰值是由系统而不是转换器引起的，并且至少在25dBµV以下可(kě)以忽略。在300 kHz的测量过程中，高幅值差模噪声（大约65dBµV）是由转换器的开关频率引起的。该频率的谐波和所有(yǒu)更高的奇数倍数是由反射纹波電(diàn)流引起的，该纹波電(diàn)流主导着差模频谱。在共模频谱中，一些峰也可(kě)见。这些没有(yǒu)被差分(fēn)滤波器过滤。

计算LC滤波器可(kě)衰减300 kHz的基本幅度。计算出的滤波器谐振频率為(wèi)19.3 kHz，这将导致在开关频率处抑制约40dB。滤波器结构是二阶的，因此阻尼约為(wèi)40 dB /十倍频程。图4中的测量结果显示了滤波器对频谱的影响。

图4：应用(yòng)的差分(fēn)模式滤波器

差模噪声可(kě)以非常有(yǒu)效地降低到10 MHz，与以前的未滤波值相比，可(kě)以降低30 dB。尤其是300 kHz时的基频和多(duō)次谐波的幅度要低得多(duō)。在较高的频率區(qū)域，滤波器效果不佳。噪音最多(duō)只能(néng)衰减10dB。

共模噪声不会显着降低，因為(wèi)该滤波器被设计為(wèi)滤波差模噪声。為(wèi)了抑制共模噪声，添加了一个额外的滤波器。插入了伍尔特電(diàn)子公司的共模扼流圈。

图5：共模滤波器的应用(yòng)

共模噪声尤其从2 MHz降低到60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理(lǐ)想，因此差模噪声也得到了抑制，并且所产生的漏感起到了差分(fēn)滤波器的作用(yòng)。此外，由于未优化设置（CM扼流圈没有(yǒu)PCB），因此差模噪声也可(kě)能(néng)会受到影响，因此某些不对称组件可(kě)能(néng)会导致这种额外的阻尼效果。然而，如图5所示，由于插入了CM-扼流圈，共模噪声得到了非常有(yǒu)效的衰减，这是显而易见的。