最优军用EMI滤波器设计

最优军用EMI滤波器设计
军用电源必须满足美国军标MIL-STD-461规定的传导EMI限制。

该标准要求在宽频范围内测量流入10μF电容的电流。

通常的做法是安装一个滤波器，测量电流；再安装另外一个滤波器，重新测量电流，重复这个过程直到满足全部的传导EMI指标。

这种方法不但效率低下，而且经常使设计的滤波器比实际所需要的体积更大、更笨重、价格更昂贵。

通过适当的测量流过输入源的噪声电流，是可能一次性设计出满足要求的滤波器而且具有较小的体积。

一个输入为直流且只有一个接地点(副边不隔离)的电源通常有两个传导噪声源：开关管和输出整流器。

这两个噪声源依次与两个频率有关：开关频率以及瞬态过程时间的倒数。

开关管的瞬态时间是上升和下降时间；对二极管而言是二极管的反向恢复时间。

当然还有一些电路其他寄生参数振荡引起的噪声，但这些噪声源的影响比较小。

戴维南电源的特性可以通过开路电压和短路电流来表示，两者相除得到戴维南阻抗。

电源的戴维南等效开路电压(V oc(ω))与频率有关。

它可以通过在任意一根输入线中串入一个高阻抗来测量，如图9-21所示。

通过一个频谱分析仪测量输入电源线与接地点电压的频谱。

注意测量电压的参考点是接大地点而不是地线。

这是因为MIL-STD-461测量的是通过一个对接地点的10μF电容中的噪声电流，如图9-22所示。

测量短路噪声电流(I SC(ω))的电容需要在整个噪声电流的频率范围内呈现很低的阻抗特性。

多层瓷片电容(Multilayer ceramic capacitor，MLC)比较适合。

这个电容必须非常靠近电源端，因为就算几个英寸的引线都会在所测的频率下产生很大的感抗。

当电容接入适当的位置后，短路电流可以通过频谱分析仪的电流探头套在连接到电容的一根引线中测得。

在任意频率下的戴维南阻抗可以通过测得的开路噪声电压除以短路噪声电流来计算。

确定噪声源特性后，就可以进行滤波器建模，如图9-23所示。

滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器(C和U)，其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。

在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器(C1和L)，在高频下，当寄生参数使
得前面的LC滤波器性能变差时，用来抑制这些高频噪声。

另外，电感L1表示MIL-STD-461规定的连接到10μF电容(C2)的1m导线，其电感量大约为1μH。

与所有的滤波器相并联的阻抗(Z1)表示噪声的所有其他通路。

计算衰减计算电流探头(I0(ω))测量的电流大小就非常简单。

例如，如果分流阻抗Z1无穷大，10μF的多层瓷片电容近似为短路，电流大小为：
其中
根据流过电流的能力和高频抑制效果已经选定滤波器的铁芯，这样L和C1基本已知。

1m长的导线的电感L1可通过直接测量获得。

根据MIL-STD-461的规定，C2的大小为10μF。

MIL-STD-461同时也限定了在EMI频率范围内各个频率下允许的最大电流I0(ω)。

也就是说，在开关频率及其谐波频率处的，I0(ω)的大小已知，就需要确定哪个频率点需要最大的衰减。

同样地，在这些频率下的V(ω)和Z(ω)己知。

如果Z1不是无穷大，也可以通过测量获得。

通过这些方程可以计算出在这些频率下的U和C的值。

体积最小化显然在某个频率下，通过上述方程计算出的U和C对应最差情况；也就是说，在这种情况下需要最大的滤波参数才能将而I0(ω)限定在MIL-SFD-461的规定值以下。

根据拓扑的不同，通常是开关频率的基波或者是第一个谐波。

式(9.2)用来确定滤波器的体积。

电感的体积大致与它所存储的能量成正比。

通常，在直流母线中的滤波器电感会采用环形的铁镍钼金属磁粉芯(MPP)，它允许很高的饱和电流。

如果允许电感量可以下跌20％，体积可以估算为：
其中，A是流过电感的最大电流，此时电感不能饱和。

类似，电容的体积也大致与它所存储的能量成正比。

例如，一个1μF、50V的CKR06系列瓷片电容，其体积大致为：
其中电压是电容需要承受的最大电压。

由于元器件的离散性，上述计算只能是粗略估算。

而且，实际中不可能获得任意电压等级的电容和任意尺寸的磁性。

所以，通过上面计算得到的元件参数必须凑到实际可以获得的元件的参数。

滤波器所占的总体积等于电感U和电容C体积的和。

式(9.1)列出了U和C之间的关系，最后，滤波器体积可以通过一个变量来表述。

这样，总体积可以通过将体积对单个变量的函数求导数，然后令它为0来计算。

最后得到一个二次方程，计算出变量的值，将它代入式(9.1)得到另外一个变量的值。

一旦滤波器的最优参数计算出以后，电感就可以通过标准的方法来设计，电容选取最接近计算值的标准容量。

最好将滤波器进行仿真以确定滤波器在开关频率以及其谐波频率点不会出现谐振。

通常这些谐振元件具有较高的Q值，在谐振点会将噪声提升到最大限定值以上，所以仿真非常重要。

如果谐振点比较接近临界频率点，可以通过增加阻尼参数来改变。

这样不但可以将谐振转移到基本没有影响的背景噪声的频谱区，而且可以通过增加滤波器在其他频率点的抑制效果来保持滤波器的品质。