多級EMI濾波器優化設計方法研究

卜俊怡 劉佳祺 季清

摘 要：在設計開關電源產品的EMI濾波器時，既需要保證產品滿足電磁兼容標準的要求，又需要考慮濾波器的體積、重量和成本問題。典型的EMI濾波器一般采用單級結構，有時為了獲得更好的濾波效果，也會采用多級濾波結構。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EMI濾波器的優化設計方法，為單級和多級濾波器的選擇提供了設計依據。

關鍵詞：傳導電磁干擾；EMI濾波器；共模電感

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

0 引言

在設計開關電源的EMI濾波器時，一般采用單級濾波器結構，有時也選用多級EMI濾波器以獲得更好的濾波效果。事實上，在采用單級濾波器就能夠滿足標準要求的情況下，選用多級濾波器反而增加了不必要的成本，降低了功率密度。目前，電源設計人員仍然缺乏單級與多級濾波器的選擇依據。如何配置多級濾波器的元件參數，才能夠利用有限的資源實現最優的濾波效果，也是多級濾波器設計需要考慮的問題。

本文首先以單級共模濾波器為例，介紹EMI濾波器的重要性能指標衰減特性的概念及測試方法。其次，結合文獻[1]–[5]的研究內容，總結了EMI濾波器設計的經典方法。然后通過理論計算與分析，對比單級與兩級共模濾波器的性能差別，同時給出優化設計中的注意事項，指出轉折頻率與元件取值以及諧振頻率與元件取值的關系。最后，本文以最小用銅量實現最優濾波效果為目標，給出了單級和兩級共模濾波器的選擇依據。

1 傳導電磁干擾測試原理

所有的電源產品在進入市場之前，都必須通過傳導干擾的測試認證。在產品中加入EMI濾波器的目的是保證電源產品滿足相應傳導干擾標準的要求。圖1給出了傳導電磁干擾測試的基本原理圖，其中LISN（Line Impedance Stabilization Network，LISN）為線性阻抗穩定網絡，EUT（Equipment Under Test，EUT）為被測試的設備。

在設計EMI濾波器時，通常需要將傳導干擾分為共模干擾和差模干擾進行測試[6]，然后分別設計共模和差模濾波元件。圖2給出了分離測試的基本原理。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。相應的，iCM和iDM在50Ω阻抗上產生的壓降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EMI濾波器的拓撲結構，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可以簡化為50Ω電阻，如圖3中虛線框內所示。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[1]，[2]和[3]中討論了干擾源阻抗對EMI濾波器設計的影響。文獻[8]和[9]的研究提供了EMI濾波器高頻性能的優化設計方法。

以Boost電路為例，如圖5所示，開關管QB漏極與源極間電壓有較大的dV/dt，通過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，電流干擾源ICM=VDS·jωCp2與源阻抗ZSCM=1/（jωCp2）并聯，如圖7所示。

由圖15可以看出，可以將36.12dB的直線稱作是單級和兩級濾波器設計的“等用銅線”。直線36.12dB以上，兩級濾波器的衰減小于等用銅的單級濾波器，而直線36.12dB以下，兩級濾波器的衰減大于等用銅的單級濾波器。

6 總結

本文主要研究了單級和多級濾波器的優化選擇方法。以共模濾波器的用銅成本作為主要考慮依據時，若單級和兩級濾波器的參考頻率點相同，則可以根據該點出現在36.12dB直線的上方還是下方，來決定使用單級還是兩級濾波器。出現在直線上方時，由于等用銅量情況下單級的衰減大于兩級，選用單級濾波器可以節約銅材；出現在直線下方時，等用銅量情況下兩級的衰減大于單級級，選用兩級級濾波器可以節約銅材；參考頻率點需要的衰減等于36.12dB時，用單級和兩級濾波器用銅相等。以體積和其它成本作為主要考慮依據時，可以參考本文的優化方法，設定選擇依據。

參考文獻：

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