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)電源的應用。通常要求開關(guān)電源的效率應盡可能高，空載下?lián)p耗應控制在毫瓦范圍內(nèi)。與之相反的要求則是：產(chǎn)品的綜合成本應盡可能低。鑒于符合標準的產(chǎn)品才能進入市場，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濾波器拓撲可以節(jié)省產(chǎn)品認證和優(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，以及如何利用實用仿真方法加快設(shè)計進程。

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)品認證是一個耗時的環(huán)節(jié)。如果產(chǎn)品沒有通過認證，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)品延期進入市場也會造成更大的損失。

仔細觀察電源的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準限 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。我們還應該了解在某一頻段內(nèi)哪一種類型的干擾占主導地位。我們可以將傳導發(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 型拓撲。正確選擇電感非常重要。須考慮的要點之一就是共模電感（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 給出了它的拓撲結(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，其中藍色曲線表示10mH 電感的理想特性，紅色則表示實際特性，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，這種電容常被用來減少傳導發(fā)射。如果想使用這種電容對高達數(shù)百MHz 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際特性都不是最佳的。顯然，為了預測濾波器的實用效果，僅僅基于理論值設(shè)計是不夠的。

基于實測值的EMC 濾波器設(shè)計

通常我們進行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，并了解電磁兼容標準限值，則可以計算出在一定的頻率范圍內(nèi)依從標準所需的衰減量。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。通常一個有實際意義的仿真，需要首先推導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際濾波器元件的阻抗曲線進行仿真，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 中的紅色標記的電感）沒有SPICE 模型。我們直接使用復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， 對于傳導發(fā)射而言， 共模干擾大多在1MHz 到30MHz 之間起主導作用。如果我們在電感和電容實際測量值的基礎(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，藍色曲線表示共模濾波器基于元件理論值仿真的頻率響應，紅色曲線則表示共模濾波器基于元件實際測量值仿真的頻率響 應。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 的紅色光標處顯示，濾波器的理論衰減值和實測值的衰減仿真結(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期的少10 倍考慮其他在實際應用中降低濾波器性能的因素！這個例子表明，實踐：來自EMC 實驗室的故事。

過去我們碰到過很多類似事情：我們在研制樣機的過程中，想尋求一個降低傳導發(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。