优化用于开关电源的EMI输入滤波器

2020-09-23

EMI和宽带隙半导体的重要性

由于开关大电流的特性，SMPS会产生大量噪声。SMPS拓扑的选择很重要，并且会影响滤波器的设计。例如，双交错升压拓扑产生的噪声比简单升压转换器产生的噪声小。一旦选择了拓扑，就有几个设计参数会影响噪声水平。转换器的开关频率是一个关键值。通常，选择高开关频率以获得紧凑的设计。但是，高开关频率可能会导致EMI过多。

了解开关元件的上升和下降时间与产生的噪声之间的相关性非常重要。通常，快速开关元件是首选。如今，即使是基于SiC或GaN的宽带隙器件在功率转换器设计中非常流行，以提高效率。如果设计不是很仔细地优化以避免产生噪声，那么这种快速开关元件会加剧噪声的产生。除了设计参数之外，在包括印刷电路板在内的整个设计中将寄生元素减到最少总是有帮助的。例如，高压开关元件与与金属外壳的连接以进行冷却将产生一个寄生电容，该寄生电容可以用作共模噪声离开系统的路径。

EMI输入滤波器的典型结构

EMI输入滤波器通常由两个功能部分组成：一部分抑制不想要的共模噪声，另一部分抑制差模噪声。对于AC / DC转换器，差模EMI滤波器部分的关键组件是差模电感器和X电容器。对于共模EMI滤波器部分，共模扼流圈和Y电容器。在某些情况下，由于共模扼流圈也可以充当差模电感器，因此可以省略差模电感器。 

分离共模和差模噪声

EMC标准要求测量两条电源线上的传导辐射，并且在该频率范围内的每个频率上电压均低于指定的极限。依次在一条电源线上执行此测量，然后在另一条电源线上执行。尽管这足以通过传导性发射测试标准，但它无法提供对噪声传播机制的任何见解，因为该测量是导体上共模和差模噪声的组合。噪声电流如何在系统内流动的原理如图1所示。

图1：共模/差模流程

共模电流部分Icm从两条线上的DUT（被测器件）流入LISN，然后通过外部接地路径流回DUT，导致外部接地路径中两个电流部分的总和。正极和负极上的振幅和相位都相同。差模电流显示出不同的特性。正极导体上的电流流入LISN，噪声的返回路径为负极导体。唯一的区别是这两个电流之间的相位。它们相差180°，理想情况下应该抵消。只需一点数学，就可以分离共模和差模噪声项。使用各个电流：

I P = I CMa + I DM

I N = I CMb  – I DM

我们可以轻松计算出两条导体上的电压：

V P =（I CMa + I DM）* Z LISN

V N =（I CMb  − I DM）* Z LISN

基于各个电压与共模和差模电压之间的关系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我们可以如下计算共模电压和差模电压：

V CM = V P + V N

V DM =½（V P -V N）

简单的减法运算得出的值是差模噪声电平的两倍，或者是额外的6dB，这在结果评估期间必须予以考虑。使用这些简单的计算，可以区分共模噪声和差模噪声（包括从差分结果中减去6dB）。如果设置（电缆，LISN的组件等）尽可能对称，则简单的数学计算效果最好。必须同时测量两条导体上的噪声。图2显示了一个简单但有效的设置，用于分离共模和差模噪声。双输出LISN（或两个相同的LISN）用于探测两条电源线，并且信号通过两个通道的两个通道捕获。示波器。求和信号和差信号在示波器上以及（快速傅立叶变换）FFT上进行计算。这样可以直接访问共模和差模噪声信号。 

图2：增强的测量设置 

虽然两个LISN之间的任何非对称性都会对测量结果产生一些影响，但实际上该方法可提供合理准确的结果。要考虑的重要方面是使用相同的电缆长度，以及使用质量足够的电缆以避免时间偏移或幅度损失，这将直接影响分离噪声分量的能力。

此外，应使用具有足够低的噪声前端，直接输入频率参数（例如开始和停止频率或分辨率带宽）以及足够快速的FFT功能的示波器。

案例分析

用于演示新方法的DUT是一个简单的降压降压转换器。DUT输入滤波器是简单的PI-LC滤波器，对于衰减差模噪声非常有效。该设置使应用或排除PI-LC-Filter变得简单。PCB上不包含共模滤波器，因此共模扼流圈从外部连接到PCB。转换器没有外壳。PCB只需放在金属接地平面上的隔离块上即可。该设置有意避免产生过多的共模噪声。

如图3所示，第一次测量是为了显示输入功率导体中的最高频谱。DUT关闭时，参考电平测量已经确定了系统的噪声电平。在执行FFT之前，通过将和表达式除以2，可以补偿差分模式下额外的6dB。对于共模，直接使用总和表达式，因为共模噪声的总量由两个测量通道之和表示。

图3：未应用EMI滤波器

参考线中300 kHz处的峰值是由系统而不是转换器引起的，并且至少在25dBµV以下可以忽略。在300 kHz的测量过程中，高幅值差模噪声（大约65dBµV）是由转换器的开关频率引起的。该频率的谐波和所有更高的奇数倍数是由反射纹波电流引起的，该纹波电流主导着差模频谱。在共模频谱中，一些峰也可见。这些没有被差分滤波器过滤。

计算LC滤波器可衰减300 kHz的基本幅度。计算出的滤波器谐振频率为19.3 kHz，这将导致在开关频率处抑制约40dB。滤波器结构是二阶的，因此阻尼约为40 dB /十倍频程。图4中的测量结果显示了滤波器对频谱的影响。

图4：应用的差分模式滤波器

差模噪声可以非常有效地降低到10 MHz，与以前的未滤波值相比，可以降低30 dB。尤其是300 kHz时的基频和多次谐波的幅度要低得多。在较高的频率区域，滤波器效果不佳。噪音最多只能衰减10dB。

共模噪声不会显着降低，因为该滤波器被设计为滤波差模噪声。为了抑制共模噪声，添加了一个额外的滤波器。插入了伍尔特电子公司的共模扼流圈。

图5：共模滤波器的应用

共模噪声尤其从2 MHz降低到60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理想，因此差模噪声也得到了抑制，并且所产生的漏感起到了差分滤波器的作用。此外，由于未优化设置（CM扼流圈没有PCB），因此差模噪声也可能会受到影响，因此某些不对称组件可能会导致这种额外的阻尼效果。然而，如图5所示，由于插入了CM-扼流圈，共模噪声得到了非常有效的衰减，这是显而易见的。