EMI滤波器设计探讨

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 最近在仿临界模式PFC电路时对EMI滤波器电路进行了一点儿研究，由于EMI的频段较高受诸多寄生参数的影响分析起来比较麻烦，所以先从理想元件基本原理开始分析。

 电路采用Boost拓扑，滤波器用LC电路（先分析差模），电路如下：

                                                      图1-1 Boost电路

当电路没有EMI滤波器时，定频和变频临界模式的相关波形如下：

                                             图1-2 未加EMI滤波器时的波形

上图(a)是变周期临界模式PFC最低开关频率为75Khz，从FFT频谱图上看噪声自75Khz后出现，图 (b)为开关频率20Khz的定占空比模式PFC，从FFT频谱图上看噪声分布在20Khz的倍频上。图(a)是变频模式（扫频模式）相对于图(b)噪声能量更分散，没有过高的噪声。

Saber软件的频谱分析跟真实的频谱仪很像，待测量区间取的越小得到的结果越准确，图1-2中取24.9mS-25.1mS得到的频谱图如下：（变周期临界模式）

                         图1-3 表周期临界模式PFC电路频谱图

做EMI测试时是通过测LISN内50欧电阻上的压降得到的uV 信号，如果换算成电流(A)则二者相差1000000/50=20000倍。图1-3中绿色曲线为通常的EMI测试曲线，已超出参考的40db很多，图1-3中蓝色曲线为电流频谱图，三角波的傅里叶展开如下

一次谐波周期T=13.329uS频率f=1/T=75KHz，幅值为Ipk*4/pi²=3.1*0.405=1.256(A)=1.976(dB)接近仿真结果1.336(dB)。

无论差模还是共模都是通过测量LISN中50欧电阻上的压降得到，另一个角度考虑EMI测试就是电流纹波大小的测试。根据这一思想EMI测试中40dB标线对应电流负46dB电流纹波峰峰值0.01A，50dB标线对应电流负36dB电流纹波峰峰值0.0317A。

根据上面的分析电路中引入EMI滤波器要达到使纹波电流峰峰值从3.1A降至低于0.01A以下（假设标线40dB）的目的，EMI滤波器采用一级LC电路（假设元件理想无寄生参数）特性曲线为：

                        图1-4 理想LC滤波电路特性曲线

图1-4中电感20mH，电容680nF，75Khz处衰减-69.598dB余量充足，谐振频率1.365Khz。（功率240W）

引入此滤波器后的效果如下：

                               图1-5 引入纯LC滤波器后仿真波形

结合图1-5和图1-4可以看出纯LC滤波电路已经产生了震荡，震荡频率既谐振频率1.365Khz，从图1-4中可以看出在谐振处增强了纹波幅度导致超标。（看资料EMI测试从150Khz开始，军品从10KHz开始那么上述波形是否合格？）

消除这中LC震荡主要有两种方法：

                                     图1-6 LC消震电路

仿真采用的是电路（a）

                   图1-7 增加减震电阻后的LC滤波电路特性图

图1-7中减震电阻取1k，电阻值取的越小衰减能力越弱仿真的取值大概是5.8倍Z0=(L/C)^-2，仿真结果如下：

                                    图1-8 增加减震电阻后仿真波形

图1-8显示LC滤波器增加减震电阻后纹波电流都低于40dB并且功率因数PF达到了0.999。

                                      图1-9 计算公式验证

通过公式计算的纹波电流0.007883A与软件仿真的结果0.00765A基本一致，纹波电流20*log(0.00765) =-48.374dB与软件仿真结果基本一致。

对于仿真中的定频定占空比模式其峰值电流达到了7.5A频率又只有20KHz，如果仍采用单级滤波器则成本较高并且效果也不好，这时可考虑采用双级滤波器。（参数：C1=340nF，L1=2mH，C2=1.36uF，L2=3mH）

                           图1-10 双级LC滤波器特性曲线

双级滤波器的参数要不同以避免谐振点重合，采用双级滤波后对纹波的衰减更强如图1-10所示在75KHz处可衰减-97dB（原单级为-50dB）。

串入上述滤波器后的仿真结果如下：

                            图1-11 双级滤波器、定频、定占空比模式PFC仿真

滤波电容值的选取可以根据电荷守恒原理，见下图

                                                   图1-12 纹波电压计算公式推导

对于低PF应用电容可以取的较大，对于高PF应用电容越小则纹波电压越大（峰值电压越高，图中电压纹波41V最大峰值为333V）。

EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力是用插入损耗I.L(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1与接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB(分贝)来表示。

由定义有：

由上述公式可知插入损耗跟图1-10的衰减曲线是一个意思。

从电网到开关电源之间一般都会有电源线都有一定的阻抗，可结合这个阻抗接成π型EMI滤波器以达到更好的滤波效果。

当引入寄生参数后分析会比较麻烦，后面可能会一点点的进行尝试。

实际的器件都有寄生参数，加入寄生参数后滤波器就不理想了。

                                 图2-1-1 考虑寄生参数的滤波器特性曲线

图中曲线显示在第二个谐振频率后滤波器的纹波衰减能力变差（寄生参数取的不一定合理），并且频率越高噪声抑制能力越弱，理想器件是没有第二、第三···谐振点的曲线一直是单调递减的。EMI难处理可能就是因为这些个寄生参数，一是寄生参数不好测量，二是布局布线、元件引脚长度、温度等都会改变寄生参数所以难量化。单从滤波效果考虑可以采用寄生参数小的元件比如穿心电容、小寄生电容的电感等。

图2-1-1是常见的AC/DC电源输入电路有大的输入电容Cin，因为有了这个大电容所以滤波电感可用小感量的，但大电解电容Cin中存ESR所以在高频段还需Cx电容的参与。大电解电容中ESR对EMI滤波器的影响见下图：

                          图2-1-2 输入电解电容ESR对EMI滤波器的影响

如图2-1-2蓝色虚线是增大ESR后的曲线，在EMI测试中有种情况就是冷机时传导过不去热机后传导就通过了（冷机ESR大热机ESR变小），上面这张图可以解释这个现象。

下面的图是对比有Cx电容和没有Cx电容对EMI滤波器的影响

                             图2-1-3 对比Cx电容对EMI滤波器的影响

图2-1-3中蓝色虚线为去掉Cx电容后的曲线，在第二谐振点后滤波性能变差，有Cx电容的保持不变。（没有考虑整流桥的影响）

下图对比分别增大滤波电感和滤波电容对EMI滤波器特性的影响。

                      图2-1-4 增大滤波电感或滤波电容对EMI滤波器的影响

图2-1-4显示增大滤波电感对低频段影响较大，增大滤波电容Cx对高频段影响较大。（寄生参数不一定合理所以这个规律还有待验证，蓝色虚线表改变后）

用一个隔离反激电源来模拟共模信号的产生及传播途径，电路如下：

                                              图3-1 共模信号测试电路

测试结果如下：

                                               图3-2 共模信号测试结果

因火线L上有差模电感所以共模电流主要流经零线N，这个电路的寄生参数需进一步“优化”以期能模拟出真实的波形。

反激电源的输出二极管有时会放在低端（常见的放置方式称为高端），下面是对比这两种放置方式对EMI的影响。

                                 图3-3 输出二极管不同位置对EMI的影响

图3-3的结果显示采用图(a)的常见接法要比图(b)的接法共模电流更小、EMI频谱线更低。