優化用于開關電源的EMI輸入濾波器

2020-09-23

EMI和寬帶隙半導體的重要性

由于開關大電流的特性，SMPS會產生大量噪聲。SMPS拓撲的選擇很重要，并且會影響濾波器的設計。例如，雙交錯升壓拓撲產生的噪聲比簡單升壓轉換器產生的噪聲小。一旦選擇了拓撲，就有幾個設計參數會影響噪聲水平。轉換器的開關頻率是一個關鍵值。通常，選擇高開關頻率以獲得緊湊的設計。但是，高開關頻率可能會導致EMI過多。

了解開關元件的上升和下降時間與產生的噪聲之間的相關性非常重要。通常，快速開關元件是首選。如今，即使是基于SiC或GaN的寬帶隙器件在功率轉換器設計中非常流行，以提高效率。如果設計不是很仔細地優化以避免產生噪聲，那么這種快速開關元件會加劇噪聲的產生。除了設計參數之外，在包括印刷電路板在內的整個設計中將寄生元素減到最少總是有幫助的。例如，高壓開關元件與與金屬外殼的連接以進行冷卻將產生一個寄生電容，該寄生電容可以用作共模噪聲離開系統的路徑。

EMI輸入濾波器的典型結構

EMI輸入濾波器通常由兩個功能部分組成：一部分抑制不想要的共模噪聲，另一部分抑制差模噪聲。對于AC / DC轉換器，差模EMI濾波器部分的關鍵組件是差模電感器和X電容器。對于共模EMI濾波器部分，共模扼流圈和Y電容器。在某些情況下，由于共模扼流圈也可以充當差模電感器，因此可以省略差模電感器。 

分離共模和差模噪聲

EMC標準要求測量兩條電源線上的傳導輻射，并且在該頻率范圍內的每個頻率上電壓均低于指定的極限。依次在一條電源線上執行此測量，然后在另一條電源線上執行。盡管這足以通過傳導性發射測試標準，但它無法提供對噪聲傳播機制的任何見解，因為該測量是導體上共模和差模噪聲的組合。噪聲電流如何在系統內流動的原理如圖1所示。

圖1：共模/差模流程

共模電流部分Icm從兩條線上的DUT（被測器件）流入LISN，然后通過外部接地路徑流回DUT，導致外部接地路徑中兩個電流部分的總和。正極和負極上的振幅和相位都相同。差模電流顯示出不同的特性。正極導體上的電流流入LISN，噪聲的返回路徑為負極導體。唯一的區別是這兩個電流之間的相位。它們相差180°，理想情況下應該抵消。只需一點數學，就可以分離共模和差模噪聲項。使用各個電流：

I P = I CMa + I DM

I N = I CMb  – I DM

我們可以輕松計算出兩條導體上的電壓：

V P =（I CMa + I DM）* Z LISN

V N =（I CMb  ? I DM）* Z LISN

基于各個電壓與共模和差模電壓之間的關系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我們可以如下計算共模電壓和差模電壓：

V CM = V P + V N

V DM =?（V P -V N）

簡單的減法運算得出的值是差模噪聲電平的兩倍，或者是額外的6dB，這在結果評估期間必須予以考慮。使用這些簡單的計算，可以區分共模噪聲和差模噪聲（包括從差分結果中減去6dB）。如果設置（電纜，LISN的組件等）盡可能對稱，則簡單的數學計算效果最好。必須同時測量兩條導體上的噪聲。圖2顯示了一個簡單但有效的設置，用于分離共模和差模噪聲。雙輸出LISN（或兩個相同的LISN）用于探測兩條電源線，并且信號通過兩個通道的兩個通道捕獲。示波器。求和信號和差信號在示波器上以及（快速傅立葉變換）FFT上進行計算。這樣可以直接訪問共模和差模噪聲信號。 

圖2：增強的測量設置 

雖然兩個LISN之間的任何非對稱性都會對測量結果產生一些影響，但實際上該方法可提供合理準確的結果。要考慮的重要方面是使用相同的電纜長度，以及使用質量足夠的電纜以避免時間偏移或幅度損失，這將直接影響分離噪聲分量的能力。

此外，應使用具有足夠低的噪聲前端，直接輸入頻率參數（例如開始和停止頻率或分辨率帶寬）以及足夠快速的FFT功能的示波器。

案例分析

用于演示新方法的DUT是一個簡單的降壓降壓轉換器。DUT輸入濾波器是簡單的PI-LC濾波器，對于衰減差模噪聲非常有效。該設置使應用或排除PI-LC-Filter變得簡單。PCB上不包含共模濾波器，因此共模扼流圈從外部連接到PCB。轉換器沒有外殼。PCB只需放在金屬接地平面上的隔離塊上即可。該設置有意避免產生過多的共模噪聲。

如圖3所示，第一次測量是為了顯示輸入功率導體中的最高頻譜。DUT關閉時，參考電平測量已經確定了系統的噪聲電平。在執行FFT之前，通過將和表達式除以2，可以補償差分模式下額外的6dB。對于共模，直接使用總和表達式，因為共模噪聲的總量由兩個測量通道之和表示。

圖3：未應用EMI濾波器

參考線中300 kHz處的峰值是由系統而不是轉換器引起的，并且至少在25dBμV以下可以忽略。在300 kHz的測量過程中，高幅值差模噪聲（大約65dBμV）是由轉換器的開關頻率引起的。該頻率的諧波和所有更高的奇數倍數是由反射紋波電流引起的，該紋波電流主導著差模頻譜。在共模頻譜中，一些峰也可見。這些沒有被差分濾波器過濾。

計算LC濾波器可衰減300 kHz的基本幅度。計算出的濾波器諧振頻率為19.3 kHz，這將導致在開關頻率處抑制約40dB。濾波器結構是二階的，因此阻尼約為40 dB /十倍頻程。圖4中的測量結果顯示了濾波器對頻譜的影響。

圖4：應用的差分模式濾波器

差模噪聲可以非常有效地降低到10 MHz，與以前的未濾波值相比，可以降低30 dB。尤其是300 kHz時的基頻和多次諧波的幅度要低得多。在較高的頻率區域，濾波器效果不佳。噪音最多只能衰減10dB。

共模噪聲不會顯著降低，因為該濾波器被設計為濾波差模噪聲。為了抑制共模噪聲，添加了一個額外的濾波器。插入了伍爾特電子公司的共模扼流圈。

圖5：共模濾波器的應用

共模噪聲尤其從2 MHz降低到60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理想，因此差模噪聲也得到了抑制，并且所產生的漏感起到了差分濾波器的作用。此外，由于未優化設置（CM扼流圈沒有PCB），因此差模噪聲也可能會受到影響，因此某些不對稱組件可能會導致這種額外的阻尼效果。然而，如圖5所示，由于插入了CM-扼流圈，共模噪聲得到了非常有效的衰減，這是顯而易見的。