作者：Henry Zhang and Sam Young

開關模式電源用于整個現代電子系統，主要是因為它們具有高效率的電源轉換。開關模式電源激增的一個副作用是它們產生的噪聲。這通常被稱為電磁干擾 （EMI）、EMI 噪聲或只是噪聲。例如，典型降壓轉換器的輸入側開關電流是富含諧波成分的脈動電流。功率晶體管的快速導通和關斷會導致電流突然中斷，導致高頻電壓振鈴和尖峰。

問題在于高頻噪聲會耦合到系統中的其他器件，從而降低敏感的模擬或數字信號電路的性能。正因為如此，出現了許多標準來設定可接受的EMI限制。為了滿足開關模式電源的這些限制，必須首先量化其EMI性能，并在必要時添加適當的輸入EMI濾波以衰減EMI。不幸的是，EMI分析和濾波器設計可能是一項艱巨的任務，通常需要一個耗時的設計、構建、測試和重新設計的迭代過程，也就是說，假設有合適的測試設備。為了加快EMI濾波器設計過程以滿足EMI規范，本文將介紹如何使用ADI公司的LTpowerCAD程序輕松估算和預構建傳導EMI噪聲分析和濾波器設計。?

不同類型的EMI：輻射和傳導噪聲、共模和差模

EMI有兩種主要類型：輻射和傳導。在開關模式電源中，輻射EMI通常由開關節點上的高dv/dt噪聲產生。輻射發射的行業標準通常涵蓋 30 MHz 至 1 GHz 的頻段。在這些頻率下，開關穩壓器的輻射EMI主要由開關電壓振鈴和尖峰產生，并且在很大程度上取決于PCB板布局。除了良好布局實踐中固有的內容外，幾乎不可能精確預測開關模式電源將在“紙上”傳輸多少輻射EMI。人們必須簡單地構建電路板，并在設計足夠好的EMI實驗室中測量其EMI，以量化其輻射噪聲水平。

傳導EMI是由開關穩壓器傳導輸入電流的快速變化引起的，包括共模（CM）和差模（DM）噪聲。傳導發射的標準行業限制通常涵蓋比輻射發射更低的頻率范圍，即從150 kHz到30 MHz。 圖1顯示了DC-DC電源（EMI實驗室中的DUT）共模和差模噪聲的通用導通路徑。

為了量化傳導輸入EMI，在穩壓器的輸入端放置了一個線路阻抗穩定網絡（LISN），提供標準輸入源阻抗。測量每條輸入線和接地之間的CM傳導噪聲。CM噪聲在高dv/dt開關節點產生，通過器件的寄生PCB電容C耦合P，接地，然后行進電源輸入 LISN。與輻射EMI一樣，高頻開關節點振鈴和寄生電容無法在紙質設計中輕松準確地建模。

DM噪聲在兩條輸入線之間以差分方式測量。DM傳導噪聲產生于開關模式電源的高di/dt、脈動輸入電流。幸運的是，與其他EMI類型不同，輸入電容和LISN電路產生的脈動輸入電流和產生的相對低頻EMI可以通過LTpowerCAD等軟件以可接受的精度進行預測。

圖1.基于LISN的開關模式電源差模和共模傳導EMI測量的概念概述。

圖2顯示了不帶輸入EMI濾波器的開關模式降壓降壓電源的典型EMI噪聲圖。最顯著的EMI尖峰發生在電源的開關頻率處，其次是諧波頻率處的其他尖峰。圖2顯示了一個EMI圖，其中這些尖峰的峰值超過了CISPR 22 EMI限值。為了滿足標準，需要一個EMI濾波器來衰減差模EMI。

圖2.不帶輸入EMI濾波器的開關模式降壓電源的典型EMI曲線。

差模傳導EMI濾波器

圖3所示為開關模式電源輸入側的典型差模傳導EMI噪聲濾波器。在本例中，我們添加了一個簡單的一階低通 LfCf電源本地輸入電容 C 之間的網絡在（EMI噪聲源側）和輸入源（LISN接收器側）。這與標準EMI實驗室測試設置相匹配，其中LISN網絡插入濾波電容C上fLC濾波器的一側。LISN電阻R2兩端的差分信號由頻譜分析儀測量，以量化DM傳導EMI噪聲。

圖4顯示了LC濾波器衰減增益曲線。在非常低的頻率下，電感是低阻抗的，基本上短路，而電容器是高阻抗的，基本上是開路的。由此產生的LC濾波器增益為1 （0 dB），允許直流通過而不會衰減。隨著頻率的升高，在諧振頻率L處出現增益尖峰fCf.當頻率上升到諧振頻率以上時，濾波器以–40 dB/十倍頻程的速率衰減。在相對較高的頻率下，濾波器增益越來越多地成為寄生元件的函數：即濾波電容的ESR和ESL以及濾波電感的并聯電容。

由于該濾波器的衰減能力隨頻率迅速上升，因此前幾次低頻噪聲諧波的幅度壓倒性地決定了EMI濾波器的大小，其中電源開關頻率的基波分量（f西 南部） 是最重要的目標。因此，我們可以專注于EMI濾波器的較低頻率增益，以滿足行業標準。

圖3.差模EMI噪聲濾波器（從節點B到節點A）。

圖4.典型單LC EMI濾波器插入增益與頻率的關系圖

LTpowerCAD可以預測特定于電源的濾波器性能

LTpowerCAD是一款電源設計輔助工具，可在 analog.com/LTpowerCAD 免費下載。該程序旨在使工程師能夠在幾分鐘內通過幾個簡單的步驟設計和優化完整的電源參數。

LTpowerCAD引導用戶完成整個電源選擇和設計過程，從用戶的電源規格開始。從那里，LTpowerCAD縮小了合適解決方案的范圍，然后幫助選擇功率級組件，并優化電源效率、設計環路補償和負載瞬態響應。

我們感興趣的功能是LTpowerCAD的輸入EMI濾波器設計工具，該工具使工程師能夠快速估計差模傳導EMI，并確定可能需要哪些濾波器組件來滿足EMI標準。LTpowerCAD的濾波工具可以在構建和測試單個電路板之前產生逼真的結果，從而顯著減少設計時間和成本。

LTpowerCAD中的EMI濾波器設計

概述

讓我們看一個DM EMI濾波器設計示例。圖5顯示了LTpowerCAD原理圖設計頁面，其中顯示了使用LTC3833降壓轉換器的電源的元件選擇，該轉換器采用12 V輸入和5 V/10 A輸出供電，開關頻率為1 MHz，f西 南部.在設計EMI濾波器之前，通過選擇開關頻率、功率級電感器、電容器和FET來設計降壓轉換器。

圖5.LTpowerCAD原理圖設計頁面和集成EMI工具圖標。

選擇功率級組件后，單擊EMI設計圖標以打開集成DM EMI濾波器工具窗口，如圖6所示。EMI設計窗口顯示詳細的輸入濾波器網絡，LfCf，電源輸入電容C之間國際投資銀行/C公司和源 LISN。有可選的阻尼電路，例如網絡C大/R大在 LISN 端，網絡 C分貝/R分貝電源輸入電容側，可選阻尼電阻RfP穿過濾波電感器 Lf.估計的傳導EMI噪聲圖和選定的EMI標準限值顯示在圖6的右側。

圖6.LTpowerCAD傳導DM EMI濾波器設計窗口（Lf= 0，無過濾器）。

選擇電磁干擾標準

在設計EMI濾波器時，您需要查看設計的目標，即EMI標準本身。LTpowerCAD包括CISPR 22（用于IT設備），CISPR 25（用于汽車設備）和MIL-STD-461G標準的內置繪圖。只需從 EMI 規范下拉菜單中選擇所需的標準即可。

例如，在圖6中，濾波器電感值設置為0，以顯示設計在沒有輸入濾波器的情況下的EMI結果。EMI在基波和諧波頻率處出現尖峰，均超過顯示的CISPR 25限值，導致EMI與規格原理圖顯示出現紅色警告。

設置 EMI 濾波器參數

選擇所需的 EMI 標準后，輸入所需的 EMI 裕量 - 您希望所選標準限值與基波峰值之間的距離。3 dB至6 dB裕量通常是一個很好的起點。從這些選擇中，對于給定的濾波電容，Cf和電源工作條件，程序計算建議的濾波電感值L sug.，顯示在LTpowerCAD的黃色單元格中。在L電池中輸入一個略大于建議值的電感值，以滿足EMI限值和所需的裕量。

在本例中，圖7顯示了設計工具，建議使用0.669 μH濾波器電感，以及輸入的0.72 μH電感以滿足要求。通過比較帶和不使用濾波器的結果，可以探索濾波器的優點。打開“顯示無輸入濾波器的EMI”選項，以查看疊加在灰色無濾波器圖上方的濾波結果。

選擇濾波電容C有一個重要的細節f.如果是具有X5R，X7R等介電材料的多層陶瓷電容器（MLCC），則其電容值會隨著直流偏置電壓而顯著下降。因此，除了LTpowerCAD標稱電容C（nom）之外，用戶還應輸入其在施加的直流偏置電壓（V伊納或 V國際投資銀行).降額曲線可從電容器供應商的數據手冊中找到。如果從LTpowerCAD庫中選擇MLCC電容器，則程序會自動估計其隨直流偏置電壓的降額。

輸入濾波器電感器中會出現另一種元件變化，由于其與直流電的飽和，其可能具有非線性電感。隨著負載電流的增加，電感值可能會明顯下降，特別是對于鐵氧體磁珠型電感器。用戶應輸入實際電感，以產生準確的EMI預測。

圖7.選擇濾波器電感值以滿足EMI標準限值。

檢查濾波器衰減增益

在圖7中，輸入濾波器的EMI曲線顯示，由于LC輸入濾波器諧振頻率為245 kHz，頻率低于電源開關頻率，因此會出現噪聲尖峰。圖8顯示了LTpowerCAD EMI窗口中濾波器衰減增益曲線代替EMI結果（單擊濾波器衰減選項卡），顯示了濾波器在245 kHz時的諧振衰減增益。

在某些情況下，LC諧振峰值可能導致超過EMI標準的尖峰。為了衰減這個諧振峰值，一對可選的阻尼組件C大和 R大可與濾波電容C并聯添加f.除了顯示衰減圖外，LTpowerCAD還簡化了這些組件的選擇過程。一般來說，選擇阻尼電容，C大，大約是實際濾波器 C 的兩到四倍f價值。LTpowerCAD將建議使用阻尼電阻R大值來推動共振峰值。

圖8.EMI濾波器衰減增益（在LISN側有和沒有阻尼）。

檢查濾波器阻抗和電源輸入阻抗

在開關模式電源前面添加輸入EMI濾波器時，濾波器輸出阻抗Z之，可與電源輸入阻抗Z相互作用在，導致不希望的振蕩。為了避免這種不穩定的情況，EMI濾波器輸出阻抗的大小，Z之，應遠低于電源輸入阻抗的幅度，Z在,有足夠的余量。圖 9 顯示了 Z 的概念之和 Z在以及它們之間的穩定性裕度。

為了簡化問題，具有高反饋環路帶寬的理想電源可以被視為恒定功率負載;即輸入電壓V在時間輸入電流恒定。隨著輸入電壓的增加，其輸入電流減小。因此，理想的電源具有負輸入阻抗Z在= –（V在2）/P在.

為了便于設計輸入濾波器，LTpowerCAD顯示濾波器輸出阻抗Z之和電源輸入阻抗 Z在在圖10所示的阻抗圖上。請注意，電源輸入阻抗是輸入電壓和輸入功率的函數。最壞的情況是阻抗的最低水平，發生在最小V處在和最大 P在條件。

如圖10所示，EMI濾波器輸出阻抗在濾波器電感L引起的諧振頻率處有一個峰值點。f和電源輸入電容器 C在.在好的設計中，該峰值的幅度應低于最差情況Z在，有足夠的余量。如果需要降低此峰值電平，還有另一對可選的阻尼組件，電容器C分貝和電阻器 R分貝，與電源輸入電容C并聯在.這個 C在側阻尼網絡可有效降低Z外峰。建議的C分貝和 R分貝值由LTpowerCAD EMI工具提供。

圖9.檢查EMI濾波器輸出阻抗和電源輸入阻抗的穩定性。

圖 10.LTpowerCAD EMI濾波器阻抗圖（帶和不帶阻尼）。

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度可以通過在實際電路板實驗室EMI測試中運行LTpowerCAD設計來查看。圖11顯示了比較結果，其中使用改進的LTC3851降壓電源演示板執行實際測試，該演示板以750 kHz的頻率運行，輸入電壓為12 V，輸出電壓為1.5 V，負載電流為10 A。如圖11所示，測試的EMI數據和LTpowerCAD建模的EMI數據與較低頻率噪聲峰值的匹配良好，而實際測試的峰值比建模的EMI峰值低幾dB。

在較高頻率噪聲峰值處存在較大的失配，但這些失配的重要性較低，因為DM傳導EMI濾波器尺寸主要由較低頻率的噪聲尖峰決定。這種差異部分是由于電感和電容寄生模型的精度，包括PCB布局寄生值;目前，精度超出了基于PC的設計工具所能達到的精度。

圖 11.實際板實驗室測量與 LTpowerCAD 估計的 EMI （12 V在至 1.5 V外/10 降壓的例子）。

請注意，LTpowerCAD濾波器工具是一種估算工具，為EMI濾波器提供了初始設計點。沒有什么可以取代原型電源板的真實實驗室測試，以獲得真正準確的EMI數據。

總結

許多行業正在使用需要越來越仔細地控制傳輸的電磁信號的系統。為此，有許多關于EMI的明確標準。與此同時，開關模式電源的數量也在增加，并且它們越來越靠近敏感電路。開關模式電源是強大的EMI源，因此在許多情況下必須量化和降低其噪聲輸出。問題是，EMI濾波器的設計和測試是一個耗時且昂貴的迭代過程。

LTpowerCAD使設計人員能夠通過使用基于計算機的預測性設計工具排除實際設計和測試來節省時間和成本。其易于使用的EMI濾波器工具可預測差模傳導EMI濾波器（包括可選的阻尼網絡）的結果，以最大限度地降低EMI，同時保持穩定的電源。實驗室測試結果驗證了預測模型的準確性。

審核編輯：郭婷