基于積木式交錯(cuò)并聯(lián)的平面全集成EMI濾波器

楊玉崗 那 欣 王長(zhǎng)華 馮本成

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105）

1 引言

近年來(lái),隨著電磁兼容法規(guī)在國(guó)內(nèi)外的嚴(yán)格實(shí)施，抑制和減少開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，使之符合電磁兼容（EMC）的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，已成為電力電子工程師的一個(gè)重要課題[1-3]。然而傳統(tǒng)的分立元件EMI濾波器一方面體積大，空間利用率低，降低了開(kāi)關(guān)電源的功率密度；另一方面分立元件的寄生參數(shù)也降低了EMI濾波器的高頻性能。無(wú)源集成技術(shù)可明顯改善分立元件EMI濾波器的這些缺點(diǎn)[4-8,10-13]。

隨著便攜式電子設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械娜找嫫占昂蛷V泛應(yīng)用,電源變換器的整體高度要求越來(lái)越低，因此，“扁平化”便成為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)之一[11,12]。由于EMI濾波器占據(jù)了電源模塊15%～20%的空間，因此，開(kāi)關(guān)電源的小型化和輕薄化，不能單純地依靠有源部分的減小來(lái)實(shí)現(xiàn)，還需要將無(wú)源元件的集成放到與有源元件的集成同等甚至略重的地位上。

為了實(shí)現(xiàn)EMI濾波器電感和電容的全部集成，美國(guó)弗吉尼亞電力電子研究中心（CPES）做了大量的研究工作[10-12]，并提出了開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的平面無(wú)源集成結(jié)構(gòu)[12]；在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[1]提出的柔性多層帶材集成EMI濾波器工藝簡(jiǎn)單，有較好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[14]提出了有源和無(wú)源濾波器集成的思路，然而，集成濾波器的電容仍然采用分立電容。

為了盡量減少平面無(wú)源集成EMI濾波器的體積，文獻(xiàn)[12]采用了高介電常數(shù)（14 000）的陶瓷材料Y5V，用很小的體積就可以實(shí)現(xiàn)很大的電容；為了盡量減少平面集成電感的結(jié)構(gòu)電容，采用了高初始磁導(dǎo)率（10 000）的平面磁心，極大地減少了平面集成EMI濾波器繞組的匝數(shù)。然而，高介電常數(shù)的陶瓷材料隨頻率和溫度變化時(shí)，容值穩(wěn)定性較差[9]。于是，文獻(xiàn)[1]提出了柔性多層帶材集成的EMI濾波器結(jié)構(gòu)，但未實(shí)現(xiàn)平面化。

由于開(kāi)關(guān)電源在 0.15～0.5MHz頻段內(nèi)主要以差模干擾為主，在其他頻段內(nèi)主要以共模干擾為主[9]；此外，共模電容較差模電容小得多，因此，本文先選用高性能、低介電常數(shù)的薄膜介質(zhì)材料的交錯(cuò)并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)共模電容的集成；由于差模電容的值較大，為了盡量減少集成EMI濾波器的體積，選用電氣性能較穩(wěn)定的Ⅱ類(lèi)陶瓷（X7R）來(lái)集成差模電容。而共模電感主要依靠PCB繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)，差模電感完全依靠漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 電介質(zhì)材料溫度特性介紹

幾種電容介質(zhì)材料的溫度特性如圖 1所示[8]。由圖 1a可知，當(dāng)溫度達(dá)到 80℃時(shí)，Y5V的容值比25℃時(shí)減小80%。而Ⅱ類(lèi)陶瓷材料（比如X7R和NP0）的相對(duì)容值隨溫度變化改變較小，因此，可作為差模電容的介質(zhì)材料。由圖1b可知，所有薄膜材料在 80℃時(shí)容值相對(duì) 25℃時(shí)變化不超過(guò)2%，因此，開(kāi)關(guān)電源中傳統(tǒng)的分立型EMI濾波器通常采用薄膜電容做濾波電容。結(jié)合文獻(xiàn)[9]給出的差、共模噪聲頻段范圍，本文采用X7R集成差模電容，采用薄膜介質(zhì)材料集成共模電容，從而實(shí)現(xiàn)EMI濾波器的平面全集成。

圖1 不同介質(zhì)材料的溫度特性曲線Fig.1 Temperature characteristic curve of different dielectric materials

3 平面全集成EMI濾波器的實(shí)現(xiàn)

3.1 平面積木式交錯(cuò)并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)

集成平面EMI濾波器的基本LC單元如圖2所示，將此 LC單元安裝在平面磁心的中柱，可得到確定的電感和電容值。LC單元極大地減少了集成電容的等效串聯(lián)電感（ESL）及引線電阻（ESR），因此，LC單元是集成EMI濾波器的一種理想單元。

圖2 LC基本單元Fig.2 LC basic cell

根據(jù)LC單元的等效電路可得到電容計(jì)算公式

式中，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；wc為銅箔的面積；d為介質(zhì)的厚度。

由式(1)可見(jiàn)，對(duì)于確定的LC單元，要增大電容量只有兩種方法：減少介質(zhì)厚度或增大介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。由于薄膜介質(zhì)材料的介電常數(shù)較小，介質(zhì)厚度受擊穿電壓的限制也不可能做得太薄，因此，欲增大平面集成電容需要另辟蹊徑。本文在文獻(xiàn)[10]和[15]的基礎(chǔ)上，提出LC單元的積木式交錯(cuò)并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)，可增大平面集成電容，如圖3所示。將n個(gè)LC單元進(jìn)行積木式交錯(cuò)并聯(lián)后的總電容為

圖3 多個(gè)LC單元的積木式交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.3 Stacked-type interleaved connected structure of multiple LC cells

3.2 平面全集成EMI濾波器

開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的電路拓?fù)淙鐖D4a所示，平面全集成 EMI濾波器結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足這一電路拓?fù)?。于是利用兩個(gè)圖3所示的結(jié)構(gòu)單元做為兩個(gè)共模電容Cy，套上E型磁心做為兩個(gè)共模電感Lcm，兩個(gè)共模電感的差值作為差模電感Ldm，再串聯(lián)兩個(gè)高介電常數(shù)的LC單元做為差模電容Cx，即可實(shí)現(xiàn)EMI濾波器的全集成，其等效電路如圖4b所示。

通常EMI濾波器的共模電容取值較小，其范圍是 1～10nF，采用基本 LC單元及薄膜介質(zhì)材料的積木式交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)完全可以實(shí)現(xiàn)共模電容的集成，并且由前面的分析可知，集成共模電容的溫度穩(wěn)定性較好。

通常差模電容Cx的值較大，其范圍是 0.1～1μF。由于差模干擾的頻帶較窄，且頻率相對(duì)較低，故選用頻率較低但介電常數(shù)較高且溫度穩(wěn)定性較好的Ⅱ類(lèi)陶瓷材料X7R來(lái)形成兩個(gè)PCB繞組結(jié)構(gòu)的LC單元，并分別串聯(lián)在共模電感/電容模塊的兩端來(lái)實(shí)現(xiàn)差模電容的集成，并增大了共模電感量，這兩個(gè)集成的差模電容如圖4b所示。

圖 4 全集成EMI濾波器Fig.4 Structure of completely integrated EMI filter

4 平面全集成EMI濾波器的參數(shù)計(jì)算

平面全集成后總的共模電感為

式中，μeff為磁心有效相對(duì)磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；Ae為磁心有效截面積；N為繞組匝數(shù)；le為磁心有效磁路長(zhǎng)度。

由于制作工藝的限制，由分立元件構(gòu)成的傳統(tǒng)EMI濾波器的兩個(gè)共模電感不可能做到完全相等，在差模噪聲通過(guò)EMI濾波器時(shí)，會(huì)形成一定的差模電感（即漏感），正好可以用來(lái)抑制差模噪聲。一般分立元件構(gòu)成的差模電感為共模電感的0.5%～2%，對(duì)于平面無(wú)源集成EMI濾波器，此方法同樣適用。得到漏感值的方法有兩種：一是測(cè)試法，其優(yōu)點(diǎn)是所得漏感值準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是必須先做好樣機(jī)；二是理論計(jì)算法，其優(yōu)點(diǎn)是不用先做樣機(jī)，缺點(diǎn)是理論推導(dǎo)比較繁瑣。本文選用第一種方法，以避免繁瑣的理論推導(dǎo)和計(jì)算。由于開(kāi)關(guān)電源的噪聲頻率不斷升高，在較低頻率時(shí)可以忽略的寄生參數(shù)不能再忽略，因此共模電感的等效并聯(lián)電容（EPC）和電容的等效串聯(lián)電感（ESL）對(duì)EMI濾波器的高頻特性具有顯著影響[5]。對(duì)于EPC的計(jì)算，可根據(jù)寄生電容儲(chǔ)能的原理來(lái)推導(dǎo)。而對(duì)于ESL的計(jì)算，由于采用圖1所示結(jié)構(gòu)來(lái)集成電容，介質(zhì)的覆銅厚度一般為幾十微米，因此電容的引線實(shí)現(xiàn)了最短化，即電容的ESL最小化，可以忽略。對(duì)于事先做好的樣機(jī)，共模電感和電容的直流電阻可以直接測(cè)量，兩者都表示歐姆損耗。

5 平面全集成EMI濾波器的高頻等效電路及插入損耗

5.1 高頻共模等效電路及插入損耗

由文獻(xiàn)[15]可知，在小信號(hào)激勵(lì)下，EMI濾波器可以表征為一個(gè)線性無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，考慮元件寄生參數(shù)建立平面全集成EMI濾波器結(jié)構(gòu)的高頻共模等效電路如圖 5所示。如果在圖 5的左端加一小信號(hào)源（設(shè)其內(nèi)阻為RS），右端加一負(fù)載RL，由二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣A的定義可推導(dǎo)出插入損耗的計(jì)算公式

參數(shù)矩陣A為

式中式中，Zc為共模電容阻抗，ZL為共模電感阻抗，Lcm為共模電感，Cp為共模電感的等效并聯(lián)電容，Rcm為共模電感的等效串聯(lián)電阻，Cy為共模電容，Ls為共模電容的等效串聯(lián)電感，Rc為共模電容的等效串聯(lián)電阻，ω為信號(hào)角頻率。

將式（5）～式（7）代入式（4）可得到高頻共模等效電路插入損耗的計(jì)算公式。

5.2 高頻差模等效電路及插入損耗

由于差模電感完全是依靠漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)的，幾乎沒(méi)有EPC，可以看作純電感元件；差模電容是采用LC模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其 ESL已經(jīng)最小化了，故選用理想的差模等效電路來(lái)代替實(shí)際的高頻差模等效電路，如圖5b所示，參數(shù)矩陣A為

式中，Ldm為差模電感；Cx為差模電容。

將式（8）代入式（4）可得到差模等效電路的插入損耗計(jì)算公式。

圖5 平面全集成EMI濾波器的高頻等效電路Fig.5 High frequency equivalent circuit of planar completely integrated EMI filter

6 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的平面全集成 EMI濾波器的有效性，采用薄膜介質(zhì)材料、陶瓷介質(zhì)材料X7R以及PCB繞組制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖6所示，樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)見(jiàn)表1。平面全集成EMI濾波器的體積約為 19cm3，為傳統(tǒng) EMI濾波器體積的47.7%[12]。

圖6 平面全集成EMI濾波器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 Prototype of planar completely integrated EMI filter

表1 樣機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)Tab.1 Parameters of structure and materials

樣機(jī)的所有參數(shù)都是采用高精度元器件分析儀（3255 Automatic Component Analyzer）測(cè)得的，見(jiàn)表 2。樣機(jī)的主要參數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表 3，通過(guò)將表 3與表2進(jìn)行比較，證明了理論計(jì)算式（2）和式（3）的正確性。

表2 樣機(jī)參數(shù)值Tab.2 Parameters of prototype

（續(xù)）

表3 樣機(jī)主要參數(shù)計(jì)算值Tab.3 Calculated main parameters of prototype

根據(jù)EMI濾波器插入損耗的測(cè)試原理，通過(guò)改變?cè)肼曉吹念l率，可以測(cè)試電阻RL兩端的電壓。根據(jù)式（9）可得所測(cè)頻率點(diǎn)的插入損耗

式中，V1為未接濾波器時(shí)RL兩端電壓；V2為接上濾波器后RL兩端電壓。

圖7給出了一個(gè)頻率測(cè)試點(diǎn)的共模和差模插入損耗電壓實(shí)驗(yàn)波形。由式（9）可得所有頻率測(cè)試點(diǎn)的插入損耗值，見(jiàn)表4和表5。

圖7 共模和差模插入損耗測(cè)試電壓波形Fig.7 Test voltage waveforms of common-mode and differential-mode insertion loss

表4 共模插入損耗Tab.4 Common-mode insertion loss

表5 差模插入損耗Tab.5 Differential-mode insertion loss

圖8給出了共模插入損耗的計(jì)算值、仿真值和測(cè)試值曲線，圖9給出了差模插入損耗的三條曲線。比較圖8中的三條曲線可見(jiàn)，除了在諧振點(diǎn)的差別較大外，其它各點(diǎn)吻合都較好。比較圖9中的三條曲線可見(jiàn)，由于給出的高頻差模等效電路是理想模型，計(jì)算值、仿真值和實(shí)驗(yàn)值的差別較大，但是總體的變化趨勢(shì)還是一致的。此外，考慮到實(shí)驗(yàn)并非在嚴(yán)格的屏蔽條件下進(jìn)行的，樣機(jī)參數(shù)值較小且與周?chē)O(shè)備之間存在耦合，再加上實(shí)驗(yàn)誤差，差模實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非很理想。

圖8 共模插入損耗曲線Fig.8 Curve of Common-mode voltage insertion loss

圖9 差模插入損耗曲線Fig.9 Curve of Differential-mode voltage insertion loss

7 結(jié)論

本文在綜合考慮電容介質(zhì)材料性能、差共模噪聲的頻率范圍和差共模電容量的前提下，提出了基于積木式交錯(cuò)并聯(lián)的平面全集成EMI濾波器結(jié)構(gòu)。建立了其高頻共模和差模等效電路模型，推導(dǎo)了其插入損耗的計(jì)算公式，采用薄膜介質(zhì)材料、陶瓷介質(zhì)材料X7R和PCB繞組制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)體積僅為傳統(tǒng)分立元件EMI濾波器體積的47.7%，元件數(shù)量由七個(gè)減少為一個(gè)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提結(jié)構(gòu)對(duì)EMI噪聲具有很好的濾波效果，驗(yàn)證了高頻等效電路模型和插入損耗計(jì)算公式的正確性，解決了現(xiàn)有無(wú)源集成方法難以增大集成電容的問(wèn)題。

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