老工程師教你優(yōu)化EMC濾波器

幾乎所有的電氣設(shè)備中都會發(fā)現(xiàn)有開關(guān)電源的應(yīng)用。通常要求開關(guān)電源的效率應(yīng)盡可能高，空載下?lián)p耗應(yīng)控制在毫瓦范圍內(nèi)。與之相反的要求則是：產(chǎn)品的綜合成本應(yīng)盡可能低。鑒于符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能進(jìn)入市場，新技術(shù)的市場轉(zhuǎn)化時間越來越重要。

EMC濾波器通常是產(chǎn)品優(yōu)化方案中的重要組成部分。正確的EMC濾波器拓?fù)淇梢怨?jié)省產(chǎn)品認(rèn)證和優(yōu)化電磁兼容性能的時間。此外，優(yōu)化的EMC 濾波器可以降低產(chǎn)品的成本和體積。

下面列出的技術(shù)文章給出了能深入到EMC 濾波器設(shè)計領(lǐng)域的視角。我們將在這里說明為什么考慮濾波器元件的寄生參數(shù)是重要的，以及如何利用實(shí)用仿真方法加快設(shè)計進(jìn)程。

一個產(chǎn)品的成功與否取決于它占領(lǐng)市場的速度。通常，產(chǎn)品認(rèn)證是一個耗時的環(huán)節(jié)。如果產(chǎn)品沒有通過認(rèn)證，可能需要重新設(shè)計整個產(chǎn)品，因而會增加開發(fā)成本；產(chǎn)品延期進(jìn)入市場也會造成更大的損失。

仔細(xì)觀察電源的EMC 發(fā)射情況，可以發(fā)現(xiàn)電磁發(fā)射主要有兩種形式：傳導(dǎo)發(fā)射，其頻段一般在數(shù)kHz 到30MHz 之間；輻射發(fā)射，其頻段一般在30MHz 到數(shù)GHz。降低傳導(dǎo)發(fā)射通常使用EMC 電源濾波器。EMC 電源濾波器（即開關(guān)電源中的濾波器）可能會占整個產(chǎn)品的重要部分。而開發(fā)階段我們總是缺少時間，這成為開發(fā)階段的一種“正常”情況，甚至在產(chǎn)品市場開發(fā)之 前，要求完成樣品。

由于缺乏時間，提出的解決方案可能不是最優(yōu)的。這必然導(dǎo)致濾波器的重新設(shè)計，產(chǎn)生不必要的成本——依據(jù)這種設(shè)計方法，產(chǎn)品的材料成本將高達(dá)整個產(chǎn)品價格的 15%。濾波器設(shè)計中經(jīng)常使用的技術(shù)，是“試湊”的方法，也就是不停的更換濾波器元件，如電容和電感，將它們焊接在一起，直到測量的干擾在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)限 制內(nèi)。使用這種方案，設(shè)計者通常也無法了解改變這些參數(shù)之后會有什么影響。

使用這種方法，最后終可獲得一個解決方案，但它是我們所需要的最佳方案嗎？

干擾類型：共模干擾或差模干擾

要優(yōu)化EMC 濾波器設(shè)計，了解干擾的類型很重要。我們還應(yīng)該了解在某一頻段內(nèi)哪一種類型的干擾占主導(dǎo)地位。我們可以將傳導(dǎo)發(fā)射分為差模噪聲(DM) 和共模噪聲(CM)。差模噪聲通常在1MHz 以下的低頻段占主導(dǎo)地位。在開關(guān)電源中，差模噪聲主要源于直流母線電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）兩端的壓降。電壓降由紋波電流產(chǎn)生（例如有源功率因數(shù)校正 器產(chǎn)生的紋波電流）。共模干擾(CM) 通常在1MHz 到100MHz 之間占主導(dǎo)地位。在這個頻段范圍內(nèi)，必須要考慮寄生參數(shù)和耦合路徑。噪聲類型對于EMC 濾波器的設(shè)計會產(chǎn)生重大影響。如果獲知了干擾類型、寄生參數(shù)和耦合路徑，我們就可以開始設(shè)計濾波器。

電容性的電抗器和電感性的電容器

為了抑制共模干擾和差模干擾，最常見的EMC濾波器結(jié)構(gòu)是LC 型拓?fù)洹Ｕ_選擇電感非常重要。須考慮的要點(diǎn)之一就是共模電感（共模扼流圈）的頻率特性。下面我們來設(shè)計一個LC 型濾波器。圖1 給出了它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 LC型濾波器

圖中的電容Cy 是Y 形聯(lián)接的電容。這個電容形成一個返回至共模噪聲源( 開關(guān)電源的功率開關(guān)管對地) 的低阻抗路徑。L-CMM 是共模電感，共模電感構(gòu)建了共模電流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流電源線的電容，它與共模電感的漏感一起形成一個差模LC濾波器，用于抑制差模噪聲。接下來的設(shè)計中，我們總是基于圖1 所示的基本原理圖來進(jìn)行討論。

圖2 給出了一個10mH 共模電感的阻抗特性曲線，其中藍(lán)色曲線表示10mH 電感的理想特性，紅色則表示實(shí)際特性，諧振頻率在200kHz。高于這個頻率時共模電感就表現(xiàn)為電容特性！我們還可發(fā)現(xiàn)，共模電感漏感的諧振頻率在 20MHz。如果我們確信1MHz 以上時是共模噪聲起主要作用，我們就應(yīng)該考慮電感的頻率特性。

圖2 10mH共模電感的阻抗特性

圖3 某個2.2nF-Y電容的阻抗特性

現(xiàn)在我們來分析Cy 電容的頻率特性。圖3 給出了一個2.2nF 瓷片電容的阻抗特性，測量值為紅色曲線，理論值為藍(lán)色。由于該電容內(nèi)部等效電感較小，所以它有非常好的高頻特性，其諧振頻率在30MHz以上。基于這一特 點(diǎn)，這種電容常被用來減少傳導(dǎo)發(fā)射。如果想使用這種電容對高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz 的輻射發(fā)射起作用，就要特別關(guān)注其頻率特性范圍。

到目前為止，濾波器的無源元件實(shí)際特性都不是最佳的。顯然，為了預(yù)測濾波器的實(shí)用效果，僅僅基于理論值設(shè)計是不夠的。

基于實(shí)測值的EMC 濾波器設(shè)計

通常我們進(jìn)行EMC 濾波器優(yōu)化的步驟如下：先測量噪聲頻譜。還要在測量結(jié)果中盡力將共模噪聲和差模噪聲分離。如果我們知道噪聲的幅值，并了解電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)限值，則可以計算出在一定的頻率范圍內(nèi)依從標(biāo)準(zhǔn)所需的衰減量。所需衰減量可以通過以下幾種方式計算。

一種方式是用紙和筆的手工計算。我們可以基于電容和電感的理論值來進(jìn)行計算。但如前面所提到的，這顯然不是最好的方式，尤其是在高頻范圍內(nèi)尚需考慮濾波器 元件寄生參數(shù)的影響時。另一種解決方案是使用spice 仿真軟件。通常一個有實(shí)際意義的仿真，需要首先推導(dǎo)出單一濾波器元件的等效電路，而這些元件要考慮其所有的寄生參數(shù)。基于所需精度和元件數(shù)量方面的考慮， 這個方法可能仍是一個耗時的過程。

另一個解決方案是直接用所測量的濾波器元件阻抗特性曲線進(jìn)行濾波器設(shè)計和仿真。正如我們從圖2和圖3 中所看到的情況，實(shí)際阻抗曲線包含了寄生參數(shù)的影響。如果我們能夠直接使用實(shí)際濾波器元件的阻抗曲線進(jìn)行仿真，將會得到非常精確的濾波器仿真結(jié)果。

用這種方法，我們需要什么樣的條件呢？

首先我們需要一個矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），用來測量濾波器元件在所需頻率范圍內(nèi)的阻抗和相位曲線。為了獲得本文中展示的仿真，我們使用帶有外部阻抗失配器的VNA 對濾波器元件進(jìn)行了測量。圖4給出了這樣的測量全頻段阻抗布局圖。

圖4 帶外部適配器的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）

測量所需濾波器的所有元件時，我們需要一個軟件工具能集成所有的阻抗曲線，來進(jìn)行濾波器仿真。為此，我們使用內(nèi)加爾工程公司（Negal Engineering）的EFsyn 軟件。

在圖5 中可以看到，有一個繪制濾波器原理圖的窗口。濾波器元件后（如圖5 中的紅色標(biāo)記的電感）沒有SPICE 模型。我們直接使用復(fù)雜的元件阻抗曲線代之。這種方法還有另一優(yōu)勢，就是它非常快。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，我們可以為了濾波器設(shè)計，去測量在元件貨架中的所 有想要使用、或?qū)⒁褂玫脑Ｔ谠熘休斎胨械臏y量值后，我們可直接模擬包含寄生元件參數(shù)的新濾波器。

圖5 基于阻抗測量值的濾波器設(shè)計軟件優(yōu)化

優(yōu)化：若濾波特性比期望特性差

設(shè)計示例：我們來設(shè)計一個LC 型共模濾波器。我們知道， 對于傳導(dǎo)發(fā)射而言， 共模干擾大多在1MHz 到30MHz 之間起主導(dǎo)作用。如果我們在電感和電容實(shí)際測量值的基礎(chǔ)上，對圖1 所示的濾波器仿真，可以得到如下結(jié)果：

圖6 所示共模濾波器的仿真結(jié)果

圖6（譯者注：原文此處錯為圖4）中，藍(lán)色曲線表示共模濾波器基于元件理論值仿真的頻率響應(yīng)，紅色曲線則表示共模濾波器基于元件實(shí)際測量值仿真的頻率響 應(yīng)。針對圖6 的仿真結(jié)果，我們可假定電源的輸出阻抗為100 歐姆，電源線一側(cè)的阻抗是25 歐姆。在圖6（譯者注：原文錯為圖4）中我們看到，共模濾波器的第一個諧振頻率在200kHz，這是共模電感諧振頻率的影響所致（見圖2）。由于，共模濾 波器的第二個諧振頻率在20MHz 附近，這是共模電感的漏感所致。在30MHz 附近還有一個因Y 電容Cy 引起的諧振。

在1MHz 的紅色光標(biāo)處顯示，濾波器的理論衰減值和實(shí)測值的衰減仿真結(jié)果，差異超過20dB。這就意味著，所設(shè)計濾波器噪聲衰減程度比預(yù)期的少10 倍考慮其他在實(shí)際應(yīng)用中降低濾波器性能的因素！這個例子表明，實(shí)踐：來自EMC 實(shí)驗(yàn)室的故事。

過去我們碰到過很多類似事情：我們在研制樣機(jī)的過程中，想尋求一個降低傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的解決方案。例如，用15mH 的扼流圈替換10mH 的扼流圈。我們直覺認(rèn)為15mH 的扼流圈會優(yōu)于10mH 的扼流圈。但結(jié)果卻是，干擾在一個頻段內(nèi)降低了，卻在另一個頻段內(nèi)被放大了！實(shí)際元件的射頻特性可能是其誘因。通常，相同體積的共模扼流圈，感值較大的電 感由于線圈匝數(shù)的增加而具有更大的寄生電容，因此可能會在較低的頻率下發(fā)生諧振。利用本文提出的方案，可以充分考慮這種影響，且不需要花費(fèi)太多的時間去焊 接電路。

結(jié)論

要在最短的時間內(nèi)找到最佳的解決方案，讓人最感興趣的是結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法。首先，我們應(yīng)該知道干擾類型和所關(guān)心的頻率范圍。對于1MHz 以上的干擾，應(yīng)該考慮濾波器元件的射頻特性。考慮了濾波器元件寄生參數(shù)和頻率特性的仿真，會帶來更優(yōu)化的解決方案，從而縮減開發(fā)時間，降低產(chǎn)品價格。此外，這種方法也可以讓我們更好地了解EMC 濾波器的工作原理。