EMC设计-EMI输入滤波器的设计

我们电子产品设计中开关电源的小体积和高效率使得应用范围越来越广。

开关电源会带来噪声的问题。突出缺点是能产生较强的EMI。EMI信号既具有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射后会污染电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。

如上图:开关电源产生的噪声包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常,线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

杂散参数影响耦合通道的特性

进行上图的分析:在EMI传导骚扰频段<30MHz,多数开关电源骚扰的耦合通道我一般用电路网络路径图来分析的。但是,在开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽等值电路的阶次愈高;因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。

注意:在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。还有,在开关管功率较大时,开关管一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

面对上面的问题:我们的第一想法是要插入滤波器设计;

注意设计关键思路:在输入端加滤波器,滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡性,两种分量在传输中会互相转变,情况也变得复杂。

于是我在2015年正好空闲的一小段时间,进行电磁兼容滤波器的研究就开始做了各种各样的滤波电路在EMI实验室进行测试分析,如下图:

测试工装法:使用接线柱,我的设计方法不但可以使用整改好的标准整改模块,而且可以很方便地直接在接线柱上接上元件进行设计替换。

对于<75W开关电源EMI滤波器的测试研究如下:

滤波电路能达到10dB设计裕量(白电应用产品)

输入滤波器的电路设计原理图如下:

输入EMI滤波器的设计主要是用来解决传导骚扰;传导骚扰的测试频率范围为0.15~30MHz,限值要求如下表:

在0.15~1MHz的频率范围内,骚扰主要以差模的形式存在,

在1~10MHz的频率范围内,骚扰的形式是差模和共模共存,

在10MHz以上,骚扰的形式主要以共膜为主。

进行机理分析:

差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流会逐渐上升,开关管关断时电流突变为零,因此,流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有丰富的高频谐波分量,随着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,因此差模骚扰随频率的升高而降低,共模则相反随着频率的升高器件体之间的分布电容变得越来越关键;小的共模电流都能产生大的电磁干扰。

滤波器的设计:通过上面的分析,了解产品的干扰特性和输入阻抗特性后,设计或者选择一个滤波器就变得简单了;如果使用一个现成的滤波器,可以调用过去积累的滤波器数据,比对滤波器参数,找到一个合适的滤波器。如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器,可以借助专用的滤波器设计软件。

我自己设计的公式计算软件的机理:

1. 一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间所以EMI滤波器要在1-10MHZ的插入损耗要尽量好。

2. 滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好:注意小于开关频率;

3. 理论上电感量越高对EMI抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率更低,而实际的滤波器只能做到一定宽带,也就使高频噪声的抑制效果变差;

举例说明:我将一只20mH的共模电感进行频率-电感 &频率-阻抗 分析;

频率-电感曲线FREQUENCY—INDUCTANCE CURVE:

频率---阻抗曲线FREQUENCY—IMPEDANCE CURVE:

注意:

电感量愈高,则绕线匝数愈多,铁氧体磁芯ui越高,如此将造成低频阻抗增加(直流阻抗变大)。匝数增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和,根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

将输入滤波器进行等效如下:

进行EMI的共模和差模等效如下:

计算谐振频率(滤波器的截止频率):

对于<75W开关电源EMI输入滤波器计算结果如下:

OK!EMI输入滤波器的设计需要一定的理论和实践能力,在使用模块工装测试数据基础上进行公式软件设计是精确EMI输入滤波器设计的一种非常好的方法。

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