EMI濾波器的精確設(shè)計(jì)

摘要： 本文介紹了一種精確設(shè)計(jì)EMI濾波器的方法。為了得到合適的濾波器插入損耗，濾波器設(shè)計(jì)中不但要考慮電路的干擾特性還要考慮電路的輸入阻抗特性。

關(guān)鍵詞： EMI濾波器；插入損耗；干擾特性；阻抗特性

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容性問題成為電路設(shè)計(jì)工程師極為關(guān)注和棘手的問題。 根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，大家普遍認(rèn)為電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中最重要的也是最難解決的兩個(gè)項(xiàng)目就是傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。為了滿足傳導(dǎo)發(fā)射限制的要求，通常使用電磁干擾(EMI)濾波器來抑制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲。但是怎么選擇一個(gè)現(xiàn)有的濾波器或者設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足需要的濾波器？工程師表現(xiàn)得很盲目，只有憑借經(jīng)驗(yàn)作嘗試。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用一個(gè)濾波器，如果不能滿足要求再重新修改設(shè)計(jì)或者換另一個(gè)新的濾波器。因此，要找到一個(gè)合適的EMI濾波器就成為一個(gè)費(fèi)時(shí)且高成本的任務(wù)。

電子系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾特性

解決問題首先要了解電子系統(tǒng)產(chǎn)生的總干擾情況，需要抑制多少干擾電壓才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求？共模干擾是多少，差模干擾是多少？只有明確了這些干擾特性我們才能根據(jù)實(shí)際的需要提出要求。

從被測物體的電流路徑來看，干擾信號回流路徑可能通過地線，或者通過其它電網(wǎng)，如圖1所示。通過地線的干擾電流在電源網(wǎng)上產(chǎn)生同相位的共模干擾電壓。通過其它線在兩根電源線上產(chǎn)生反相的差模干擾電壓。干擾電流的路徑如圖2所示。

圖1  干擾信號的回流路徑

圖2 a）差模干擾濾波和b）共模干擾濾波

通常有四種技術(shù)可進(jìn)行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實(shí)際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術(shù)。它們是：
*正負(fù)極電源線之間添加電容，即X電容；
*每根電源線和地線之間添加電容，即Y電容；
*共模抑制(兩根電源線上的抑制線圈同向繞線)；
*差模抑制(每根電源線有它自己的抑制線圈)。

電容的作用是將高頻干擾電壓“短路”，另外，當(dāng)干擾信號頻率很高時(shí)，抑制線圈將產(chǎn)生很大的交流阻抗。圖2顯示了兩種濾波類型的結(jié)構(gòu)，其中，LISN是用于測量目的的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。如果是共模問題引起的干擾，Ｘ類型電容基本上沒有作用，因?yàn)閮删€上的干擾電壓是一樣的。因此，了解干擾類型對于選擇合理的電路結(jié)構(gòu)將起重要作用，并為解決問題提供技術(shù)依據(jù)。

在標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性測試實(shí)驗(yàn)室可得到設(shè)備的總干擾情況，但無法了解設(shè)備的共模干擾和差模干擾特性。為了在測量中分辨共?；蛘卟钅８蓴_信號，通用的儀器是很難實(shí)現(xiàn)的。使用專用的傳導(dǎo)測試儀，可獲得設(shè)備的總干擾、共模干擾和差模干擾。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)測試儀獲得的總干擾、共模干擾和差模干擾
　　
電源輸入阻抗特性

濾波器的制造商給出的濾波器插損是在50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗系統(tǒng)中的性能。眾所周知，電源的輸入阻抗隨著頻率的變化具有不連續(xù)性。阻抗的改變導(dǎo)致濾波器的插損特性產(chǎn)生很大的變化。

由圖4可見，在一個(gè)50W的系統(tǒng)中，100mH的濾波器提供約18dB的衰減，但是在一個(gè)500W系統(tǒng)中只提供約4dB的衰減。 同樣對于100nF電容器；在50W系統(tǒng)中，1MHz時(shí)大約23dB的衰減在5W系統(tǒng)中降至7dB。
上面的例子說明，選擇一個(gè)具有很高插損的濾波器也不能很好抑制傳導(dǎo)噪聲的原因是，電源輸入端阻抗的影響。因此，設(shè)計(jì)者除了選擇一個(gè)合適的濾波器之外，還需要了解電源的阻抗特性、共模阻抗和差模阻抗。阻抗測試可以借助專用的阻抗測試儀或者傳導(dǎo)分析儀。一種濾波器的共模阻抗(a)和差模阻抗(b)的變化如圖5所示。

圖4 a）100uh電感的衰減 b）100nF電容器的衰減

圖5 a）共模阻抗和b）差模阻抗的變化
　　     
濾波器的設(shè)計(jì)

知道設(shè)備的干擾特性和輸入阻抗特性后，設(shè)計(jì)或者選擇一個(gè)濾波器就變得簡單了。如果使用一個(gè)現(xiàn)成的濾波器，可以調(diào)用過去積累的濾波器數(shù)據(jù)庫，比對濾波器參數(shù)，找到一個(gè)合適的濾波器。如果沒有合適的或者想專門設(shè)計(jì)一個(gè)專用濾波器，可以借助專用的濾波器設(shè)計(jì)軟件。在確定一個(gè)濾波器模式后輸入濾波器一些簡單的約束條件，設(shè)計(jì)軟件根據(jù)阻抗特性自動計(jì)算出最合適的組件值，以及提供最合適的衰減。(如圖6所示)

圖6 一種由軟件設(shè)計(jì)的最佳濾波器

設(shè)計(jì)結(jié)果

在對某產(chǎn)品進(jìn)行了干擾特性和阻抗特性測試后，需要解決一個(gè)低于5MHz的低頻干擾問題。專用濾波器設(shè)計(jì)軟件結(jié)合前面得到的測試數(shù)據(jù)給出了濾波器的元件參數(shù)：包括470nF的X電容器，2.2nF的Y電容器和15.1mH的共模電感。但是有經(jīng)驗(yàn)的濾波器設(shè)計(jì)人員認(rèn)為采用一個(gè)13.5mH共模電感的濾波器是足夠了。使用一個(gè)13.5mH包括額外高頻組件的濾波器的發(fā)射情況如圖7所示。

圖7 a）最小15mH的系統(tǒng)使用和18mH時(shí)的測試結(jié)果

為了驗(yàn)證軟件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將470nF、2.2nF和18mH的非定制的濾波器迅速連接到系統(tǒng)中，獲得中心頻率小于5MHz，并且無需高頻濾波器。結(jié)果清楚地表明，最小15mH的限制是合適的。
　　
結(jié)語

EMI濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮干擾特性和阻抗特性，在阻抗測試和干擾特性測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)是精確濾波設(shè)計(jì)的唯一方法。