EMI 滤波器基本原理研究及两级滤波器优化

Abstracts
When designing EMI filter, many power designers are in lack of theory, but unreasonable design will lead to
large volume and unnecessary cost. In this paper, principles of EMI filter will be explained in detail, and then, one-stage and two-stage EMI filter design procedure will be summarized. Noise separator can be used to obtain the CM noise for CM filter design. When designing two-stage filter, since the total Y capacitor value is limited for safety reason, its value in each stage should be equal to each other in order to get the lowest corner frequency. Different from single-stage filter, two-stage filer has two resonant frequencies, and the second one should be kept out of the conductive noise frequency range. Keywords EMI, CM filter, Two-stage filter, Y capacitor Coupled inductor
1．引言
开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点， 随之而来的 EMI 问题越来越受到电源设计者的关注。 开关电源中的主功率器件在开关过程中产生很高的电 压和电流变化率，它们通过寄生电感和寄生电容等耦 合方式，在交流电源线中产生严重的 EMI 噪声。这些 噪声不仅会污染电网，而且会影响同一电网中其它设 备的正常工作，因此必须抑制这些噪声以符合相应标 准的要求。EN55022 和 CISPR22 中所规定的传导干扰 频率范围为 150kHz~30MHz。为了使电源设备满足这 些标准的要求，必须在电源产品中加入 EMI 滤波器。 电源设计者在设计 EMI 滤波器时通常采用反复试 验的方法，缺乏理论的指导。然而，不合理的设计会
3）共模与差模输出信号之间的干扰应该小。 根据这三点要求，文献[7]对几种噪声分离器进行 了详细的比较和评估，还提出了一种利用传输线变压 器的阻抗特性制作的噪声分离器。另外，[8]中提出的 功率合成器也能够满足以上三个要求，缺点是需要使 用 0º 和 180º 两种功率合成器。 使用时应该注意， 功率 合成器的输出信号会将干扰放大 3dB，因此在测试时 需要对结果做适当修正。 实际在共模干扰或差模干扰的测试时，由于需要 同时输出信号 V1 和 V2， 因此使用的 LISN 应具备两个 信号输出端口，测试时 50Ω 电阻从电路中断开，并以 噪声分离器的 50Ω 输入阻抗作为测试电阻接入电路。 目前两信号输出的 LISN 产品并不常见，因此可用两 个相同的 LISN 分别接入 L 线和 N 线用作共模与差模 干扰测试。
图2
区分共模干扰和差模干扰的基本原理 3
图3
常用单级滤波器拓扑结构
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
(a)Βιβλιοθήκη 共模滤波器等效电路(a)
未加入滤波器时的共模干扰电压
(b)差模滤波器等效电路 图4 滤波器等效电路
(b)
加入滤波器后的共模干扰电压 图 5 共模电压插入增益
相应的，图 3 中的典型滤波器应该分为图 4 中的 共模和差模等效电路来研究； 2） EMI 滤波器的滤波效果不仅与其本身的参数有 关，还与干扰源阻抗有关。文献[2]–[4]及[9]中详细讨 论了干扰源阻抗对 EMI 滤波器设计的影响。 [2]中提出 了一种预估干扰源阻抗的最大值或最小值的方法；[9] 的研究提供了合适的干扰源阻抗的测试方法，用以指 导 EMI 滤波器的设计。 实际在设计 EMI 滤波器时， 可 [1] 以根据拓扑结构，避免干扰源阻抗的影响 。 用诺顿等效电路表示传导干扰源时，电流干扰源 与源阻抗并联，此时设共模源阻抗为 ZSCM，差模源阻 抗为 ZSDM。 若式(3)和(4)成立， 则设计滤波器时可以不 考虑 ZSCM 和 ZSDM。
本文工作得到全汉电能技术研发有限公司资助
导致电源产品体积和重量增加，随着铜价的上涨，成 本压力也随之增大。因此，研究如何合理的设计 EMI 滤波器，具有越来越重要的意义。 本文首先介绍传导电磁干扰测试的基本原理，简 述现有的传导干扰诊断方法，即分离共模干扰与差模 干扰的方法。然后以单级共模滤波器为例，介绍如何 用电压插入增益法评定滤波效果。结合[1]–[6]的研究 内容，本文总结经典的单级 EMI 滤波器设计方法，并 对[5]中提出的快速设计方法进行了改进。随后比较两 级与单级 EMI 滤波器的性能差别，并给出优化设计两 级滤波器时应该注意的事项，指出转折频率和谐振频 率与元件取值的关系。 最后给出设计实例与实验结果。
Principles of EMI Filters and Two-Stage Filter Optimization
JI Qing 1
1) 2)
RUAN Xinbo1
YANG Fei 1
XU Ming2
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China Virginia Polytechnic Institute and State University Blacksburg 24060 U.S.A. 2) 1) Email：minxu@ Email：jiqing@
2．传导电磁干扰测试原理
图 1 给出了传导电磁干扰测试的基本原理图，其
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中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
2 ） 分离 器的 输 出 信号 V3 作 为共模 输 出时 应 为 |(V1+V2)/2|，作为差模输出时应为|(V1–V2)/2|，即；
VCM = VDM =
图1 传导电磁干扰基本测试原理
V1 + V2 = 50 iCM 2 V1 − V2 = 50 iDM 2
(1) (2)
中 LISN（Line Impedance Stabilizing Network）为线性 阻抗稳定网络，EUT（Equipment Under Test）为被测 试的设备。LISN 的作用如下：1）在 EUT 与交流输入 电源线之间提供射频范围内干扰的有效隔离，使得输 入电源线内的干扰不会影响测试结果；2）在 EUT 的 测试端口提供射频范围内的 50Ω 额定阻抗。 国际无线电干扰特别委员会提出的标准 CISPR16-1 对传导干扰的测试设备作了详细规定，其 中 150kHz~30MHz 频率范围内推荐使用的 LISN 电路 构架如图 1 所示。 需要注意的是，虽然传导电磁干扰的实质是电流 干扰，然而由于电流测量的不便，往往检测干扰电流 在 50Ω 阻抗上产生的压降。
4．EMI 滤波器的电压插入增益
图 3 为常用的单级 EMI 滤波器拓扑结构， 虚线框 内为 LISN 提供的 50Ω 电阻。 共模电感的磁芯通常选用高磁导率的铁氧体，若 不计漏感，则共模电流在其中产生的磁通相互叠加， 差模电流产生的磁通却完全抵消，因此共模电感对差 模电流无滤波作用，且不会被输入电流饱和。考虑漏 感时，由于漏感的磁通不会被相互抵消，因此能够滤 除差模干扰。但漏感也不能过大，否则将会引起磁芯 饱和。 差模电容能够在 L 线和 N 线之间提供低阻抗滤除 差模干扰，但其对共模干扰仅有平衡作用[6]。通常共 模电容与差模电容相比容值小很多，因此可以将共模 电容对差模干扰的影响忽略。 对 EMI 滤波器的性能评估存在三方面的问题[1]： 1） 单一元件通常仅对共模或者差模干扰有滤除作 用， 因此滤波器的共模和差模滤波性能需要分开考虑。
1 Z SCM ω (2CY ) 1 1 ω (CX 2 + CY ) 2 Z SDM
图6
单级滤波器电压插入增益幅频曲线
转折频率 fC 的表达式为：
fC = 1 L 2π LCM + DM 2CY 2
(6)
(3) (4)
实际由于二阶 LC 滤波器存在谐振频率 fR，在该 频率附近反而会对干扰有放大作用。fR 的表达式为：
f R = fC 1 − RCM 2CY 2LCM 2
(7)
3） EMI 滤波器的低频滤波效果仅取决于元件的取 值，但高于一定频率时，滤波效果受到 PCB 布置、滤 波器 各元件 的 寄生参 数 以 及 元件之 间 相 互 耦 合的 影 响。因此如何提高滤波器的高频性能，不能仅从改变 元件的取值考虑。 [10]中详细讨论了如何通过消除滤波 器寄生参数的方法改善滤波器的高频滤波效果。 电压插入增益能够表征 EMI 滤波器实现的衰减。 如图 5 所示，以单级共模滤波器为例，未加入滤波器 时共模干扰电压为 V'CM，而加入滤波器之后的共模干 扰电压为 VCM。电压插入增益定义为两者之比：
摘
要
许多电源设计者在设计 EMI 滤波器时缺乏理论指导，然而不合理的设计往往增加不必要的体积与成本。本文
研究的主要目的在于详细阐述 EMI 滤波器的基本原理，并给出单级式和两级式 EMI 滤波器的设计流程，以引导电源设计者 的设计。为了获得共模滤波器设计的基准，可以使用干扰分离器分离出共模干扰。在设计两级 EMI 滤波器时，由于 Y 容总 量受到限制，要获得最低的转折频率，应使两级 Y 容的容值相等。与单级不同，两级滤波器有两个谐振频率点，设计时应 该避免高频谐振点进入传导干扰的频率范围。 关键词 传导电磁干扰，共模滤波器，两级滤波器，Y 电容