優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式電源的 EMI 輸入濾波器

任何開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)都需要EMI（電磁干擾）輸入濾波器，以避免對(duì)電源線(xiàn)造成干擾，以及對(duì)連接到電源線(xiàn)的其他組件或系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。因此，設(shè)計(jì)和優(yōu)化輸入濾波器是 SMPS 開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要任務(wù)。雖然必須添加共模和差模噪聲濾波器元件，但很少單獨(dú)優(yōu)化它們。特別是對(duì)于高功率應(yīng)用，這可能會(huì)導(dǎo)致 EMI 濾波器比實(shí)際需要的大得多。

在本文中，我們討論了一種使用雙輸出 LISN（線(xiàn)路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）和至少具有兩個(gè)通道的示波器來(lái)分離共模和差模噪聲分量的簡(jiǎn)單方法，這使得優(yōu)化共模和差分噪聲成為可能。 - 模式濾波器組件分開(kāi)，從而為設(shè)計(jì)輸入濾波器提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

EMI 和寬帶隙半導(dǎo)體的重要性

由于開(kāi)關(guān)大電流的特性，SMPS 會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的噪聲。SMPS 拓?fù)涞倪x擇非常重要，會(huì)影響濾波器的設(shè)計(jì)；例如，雙交錯(cuò)升壓拓?fù)洚a(chǎn)生的噪聲比簡(jiǎn)單升壓轉(zhuǎn)換器要少。一旦選擇了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就有幾個(gè)影響噪聲水平的設(shè)計(jì)參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)關(guān)鍵值。通常，選擇高開(kāi)關(guān)頻率以獲得緊湊的設(shè)計(jì)。然而，高開(kāi)關(guān)頻率可能會(huì)導(dǎo)致 EMI 過(guò)高。

了解開(kāi)關(guān)元件的上升和下降時(shí)間與產(chǎn)生的噪聲之間的相關(guān)性非常重要。通常，快速開(kāi)關(guān)元件是。如今，即使是基于SiC或GaN的寬帶隙器件在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中非常流行，以提高效率。如果設(shè)計(jì)沒(méi)有非常仔細(xì)地優(yōu)化以避免噪聲產(chǎn)生，那么這種快速開(kāi)關(guān)元件就會(huì)加劇噪聲的產(chǎn)生。除了設(shè)計(jì)參數(shù)之外，限度地減少整個(gè)設(shè)計(jì)（包括印刷電路板）中的寄生元件總是有幫助的。例如，高壓開(kāi)關(guān)元件與用于冷卻的金屬外殼的連接相結(jié)合將產(chǎn)生寄生電容，該寄生電容可以充當(dāng)共模噪聲離開(kāi)系統(tǒng)的路徑。

典型 EMI 輸入濾波器結(jié)構(gòu)

EMI 輸入濾波器通常由兩個(gè)功能部分組成：一部分用于抑制不需要的共模噪聲，另一部分用于抑制差模噪聲。對(duì)于AC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，差模EMI濾波器部分的關(guān)鍵元件是差模電感和X電容。對(duì)于共模EMI濾波器部分，共模扼流圈和Y電容。在某些情況下，可以省略差模電感器，因?yàn)楣材６罅魅σ部梢猿洚?dāng)差模電感器。

分離共模和差模噪聲

EMC 標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量?jī)蓷l電源線(xiàn)上的傳導(dǎo)發(fā)射，并且頻率范??圍內(nèi)每個(gè)頻率的電壓均低于指定限值。該測(cè)量按順序在一根電源線(xiàn)上執(zhí)行，然后在另一條電源線(xiàn)上執(zhí)行。雖然這足以通過(guò)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但它并沒(méi)有提供對(duì)噪聲傳播機(jī)制的任何見(jiàn)解，因?yàn)闇y(cè)量是導(dǎo)體上共模和差模噪聲的組合。噪聲電流在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的原理如圖1所示。

圖 1：共模/差模流程

共模電流部分Icm在兩條線(xiàn)路上從DUT（被測(cè)器件）流入LISN，并通過(guò)外部接地路徑流回DUT，導(dǎo)致外部接地通路中的兩個(gè)電流部分之和。正導(dǎo)線(xiàn)和負(fù)導(dǎo)線(xiàn)的振幅和相位相同。差模電流表現(xiàn)出不同的特性；正導(dǎo)體上的電流流入LISN，噪聲的返回路徑是負(fù)導(dǎo)體。的區(qū)別是這兩個(gè)電流之間的相位；它們相差180°，理想情況下應(yīng)該抵消。通過(guò)一點(diǎn)數(shù)學(xué)知識(shí)，可以分離共模和差模噪聲項(xiàng)。使用單個(gè)電流：

IP = ICMa + IDM
I N = I CMb  – I DM

我們可以很容易地計(jì)算出兩個(gè)導(dǎo)體上的電壓：

V P = (I CMa + I DM ) * Z LISN
V N = (I CMb  ? I DM ) * Z LISN

根據(jù)各個(gè)電壓與共模、差模電壓之間的關(guān)系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我們可以計(jì)算共模和差模電壓如下：

V CM = V P + V N
V DM = ? (V P - V N )

簡(jiǎn)單減法得到的值是差模噪聲水平的兩倍，即多出 6dB，在結(jié)果評(píng)估期間必須考慮到這一點(diǎn)。使用這些簡(jiǎn)單的計(jì)算，區(qū)分共模噪聲和差模噪聲（包括從差分結(jié)果中減去 6dB）。如果設(shè)置（電纜、LISN 組件等）盡可能對(duì)稱(chēng)，則簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算效果；必須同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體上的噪聲。圖 2 顯示了一種簡(jiǎn)單但有效的分離共模和差模噪聲的設(shè)置。雙輸出 LISN（或兩個(gè)相同的 LISN）用于在兩條電源線(xiàn)上進(jìn)行探測(cè)，信號(hào)由一個(gè)雙輸出 LISN 的兩個(gè)通道捕獲。示波器。和信號(hào)和差信號(hào)在示波器以及（快速傅立葉變換）FFT 上計(jì)算。這樣可以直接訪(fǎng)問(wèn)共模和差模噪聲信號(hào)。

圖 2：增強(qiáng)型測(cè)量設(shè)置

雖然兩個(gè) LISN 之間的任何不對(duì)稱(chēng)都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一些影響，但實(shí)際上該方法提供了相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。需要考慮的重要方面是使用相同的電纜長(zhǎng)度，以及使用具有足夠質(zhì)量的電纜以避免時(shí)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(yīng)使用具有足夠低噪聲前端、直接輸入頻率參數(shù)（例如起始頻率和終止頻率或分辨率帶寬）以及足夠快的 FFT 功能的示波器。

分析

用于演示新方法的 DUT 是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。DUT 輸入濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的 PI-LC 濾波器，對(duì)于抑制差模噪聲非常有效。該設(shè)置使應(yīng)用或排除 PI-LC 濾波器變得簡(jiǎn)單。PCB 上不包含共模濾波器，因此共模扼流圈連接在 PCB 外部。轉(zhuǎn)換器沒(méi)有外殼；PCB 只需放置在金屬接地層的隔離塊上即可。該設(shè)置有意避免產(chǎn)生過(guò)多的共模噪聲。

次測(cè)量（如圖 3 所示）顯示了輸入功率導(dǎo)體中的頻譜。當(dāng) DUT 關(guān)閉時(shí)，參考電平測(cè)量已經(jīng)確定了系統(tǒng)的噪聲電平。在執(zhí)行 FFT 之前，通過(guò)將和表達(dá)式除以 2 來(lái)補(bǔ)償差分模式中額外的 6dB。對(duì)于共模，直接使用求和表達(dá)式，因?yàn)楣材Ｔ肼暱偭坑蓛蓚€(gè)測(cè)量通道的總和表示。

　圖 3：未應(yīng)用 EMI 濾波器

參考線(xiàn)中 300 kHz 處的峰值是由系統(tǒng)而不是轉(zhuǎn)換器引起的，并且至少可以忽略高達(dá) 25dBμV。在 300 kHz 測(cè)量期間，高幅度差模噪聲（大約 65dBμV）是由轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率引起的。該頻率的諧波和所有更高的奇數(shù)倍都是由反射紋波電流引起的，該電流在差模頻譜中占主導(dǎo)地位。在共模譜中也可以看到一些峰；這些沒(méi)有被微分濾波器過(guò)濾。

LC 濾波器經(jīng)計(jì)算可抑制 300 kHz 處的基波幅度。計(jì)算出的濾波器諧振頻率為 19.3 kHz，這應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率處約 40dB 的抑制。濾波器結(jié)構(gòu)為二階，因此阻尼約為 40 dB/Decade。圖 4 中的測(cè)量顯示了濾波器對(duì)頻譜的影響。

、圖 4：應(yīng)用的差分模式濾波器

與之前未濾波的值相比，差模噪聲非常有效地降低了高達(dá) 10 MHz，阻尼高達(dá) 30dB。特別是 300 kHz 的基波和多次諧波的幅度要低得多。在較高頻率區(qū)域，濾波器效果不佳；噪音多只能衰減 10dB。

由于濾波器是為了濾除差模噪聲而設(shè)計(jì)的，因此共模噪聲并未顯著降低。為了抑制共模噪聲，添加了一個(gè)額外的濾波器。插入了 Würth Electronic 的共模扼流圈。

圖 5：應(yīng)用共模濾波器

共模噪聲尤其從 2 MHz 降低至 60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理想，并且產(chǎn)生的漏感充當(dāng)差分濾波器，因此差模噪聲也被衰減。此外，差模噪聲也可能受到影響，因?yàn)樵O(shè)置未優(yōu)化（CM 扼流圈沒(méi)有 PCB），因此一些不對(duì)稱(chēng)組件可能會(huì)導(dǎo)致這種額外的阻尼效應(yīng)。然而，如圖 5 所示，可以清楚地看到，由于插入了共模扼流圈，共模噪聲得到了非常有效的抑制?！?br/>
結(jié)論

有效的輸入濾波器設(shè)計(jì)對(duì)于滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)模式電源傳導(dǎo)發(fā)射的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。通常，EMI 濾波器由共模濾波器和差模濾波器組成，這兩個(gè)元件都必須進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。有關(guān)共模噪聲和差模噪聲貢獻(xiàn)的準(zhǔn)確信息極大地有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化 EMI 輸入濾波器的任務(wù)。使用雙輸出 LISN（或兩個(gè)相同的 LISN）以及示波器上的一些數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以直接在示波器上分離共模和差模噪聲。結(jié)果是一個(gè)有效的工具，可以使用每個(gè)電源電路設(shè)計(jì)人員都必須擁有的示波器的 FFT 功能來(lái)優(yōu)化 EMI 濾波器的兩個(gè)部分。