电源EMI滤波器插入损耗的研究

电源EMI滤波器插入损耗的研究

从抗电磁干扰角度来说，电源EMI滤波器实际是一个只允许直流和工频通过的低通滤波器，即从零频（直流）至截止频率（工频）的通带内以最小衰减通过电流（或电压）。对电磁干扰的阻带，要求尽可能高的衰减，过渡带曲线尽可能陡（即过渡带尽可能窄）。由于EMI滤波器衰减的定义与传统滤波器不同，所以，传统滤波器的各种传递函数表达式和现成的数据及图表均不能直接用于EMI滤波器的设计。EMI滤波器的衰减用插入损耗来表示，本文将探讨电源EMI滤波器插入损耗的计算，以及影响插入损耗的各种原因和改进方法。

EMI滤波器插入损耗的理论分析

EMI滤波器插入损耗IL定义如下：

IL=10log(P1/P2)=20log(U1/U2) (1)

式中，P1和U1分别表示当EMI滤波器未插入前（图1（a）），从噪声源us传递到负载RL的功率和电压；P2和U2分别表示当EMI滤波器接入后（图1(b)），从噪声源传递到负载的功率和电压。

图1 EMI滤波器接入前、后的电路

理论分析EMI滤波器的IL时，把滤波器网络用A参数来表示：

(2)

则可求得EMI滤波器的IL表达式为：

IL=20log|(a11RL+a12+a21RSRL +a22RL)/(RS+RL)| (3)

图2为高性能的EMI滤波器。其中，E表示共模信号输入端。图2中网络的共模等效电路如图3（a）所示，差模等效电路如图3（b）所示。图3（b）中Le1、Le2、Cxi，i=1，2，3，分别表示等效电感和电容。

图2 EMI滤波器网络

图3 图2网络的共模与差模等效电路

由图3（a）并根据式（4）可求得共模插入损耗为：

ILCM=10lg|(RS+RL-ω2CyD12+ω2D22)|-20lg(RS+RL) (4)

式中，D1=L1RL+L2RS；D2=L1+L2-ω2L1L2Cy+CyRSRL

由图3（b）同理可求得差模插入损耗为：

ILDM= 10lg|(B12+B2+RSRLB3)|-20lg(RS+RL) (5)

式中，B1=RL(1-ω2Cx2Le2)-ω2Cx2Le1(1-ω2Cx3Le2)+RS(1-ω2Cx2Le2)-ω2Cx1Le2-ω2Cx1Le1(1-ω2Cx2Le2)；B2=ωLe2+ω

Le1(1-ω2Cx2Le2)；B3=ωCx3+ωCx2(1-ω2Cx3Le2)+ωCx1(1-ω2Cx3Le2)–ω3Cx1Cx3Le1-ω3Cx1Cx2Le1(1-ω2Cx3Le2)。

影响插入损耗的各种原因

1 RS与RL对插入损耗的影响及改进方法

一般设计时，令RS/RL=50Ω/50Ω，这有利于简化EMI滤波器的理论计算（把RS、RL看成常数而不是变量），但实际运用RS/RL=50Ω/50Ω的概率很少。这显然脱离了实际情况，其理论分析与实际插入损耗相差较大。因此，CISPR出版物4.2.2.2建议：除RS/RL=50Ω/50Ω测试方法外，另外补充RS/RL=0.1Ω/100Ω和RS/RL=100Ω/0.1Ω两种极端情况的测试方法。可以理解为帮助用户了解该EMI滤波器在两种极端情况下，其插入损耗有效范围是否满足要求。

2 分布参数对插入损耗的影响

在低频段，电感器和电容器的分布参数可忽略不计，但在较高的频段工作时，它们的分布参数对IL的影响就会显示出来。而电容器中的分布电感，元件与金属外壳之间，元件与元件之间，印刷电路板布线等均存在分布参数。这些分布参数会加入电路运算。解决元件分布参数对IL的影响有下列几种方法：

（1）选择优质元件；（2）估计元件分布参数，建立EMI滤波器高频等效模型，并把元件分布参数参加滤波器设计；（3）如果IL达不到要求，可以增加滤波器的级数；（4） 通过元件布局、印刷电路板设计有利于电磁兼容等方法来解决。

3 电感材料性能对IL的影响

在高频段，电感器采用的纳米晶体软磁性材料的频响不如猛锌铁氧体软磁性材料的频响。因此，在高频段，电感器应采用锰锌铁氧软磁性材料，这有利于高频段加大插入损耗，即提高滤波器对高次谐波的仰制效果。但是，由于纳米晶体软磁材料具有很高的导磁率（μ0可达到13.5万,μe可达到17.9万）和高饱和磁感特性，这些特性指标远优越铁氧体和钴基晶体软磁性材料，因此，采用纳米晶体材料有利于低频段的共模插入损耗，即减少通带的插入损耗。

4 RS、RL与EMI滤波器结构的选择关系

由式（4）可知：IL与RS、RL有直接关系，即使EMI滤波器设计达到IL指标，对于不同RS、RL，其结构如果选择不当，也不能达到较好的滤波效果。因此，根据RS、RL的实际情况，选用EMI滤波器结构应遵循下列两点原则：

（1）EMI滤波器的串联电感要接到低阻抗源（RS小）或低阻抗负载（RL小）；

（2）EMI滤波器的并联电容要接到高阻抗源（RS大）或高阻抗负载（RL大）。只有这样，EMI滤波器实际工作的IL与理论分析才能基本一致。

改善插入损耗的方法

当EMI滤波器的设计完成后，或在实际应用中IL部分频段不达标，或需要再改善IL的曲线，一般有下列几种方法来改善插入损耗。

1 切比雪夫修正系数法

为了克服式（3）设计中的不足，引入切比雪夫修正系数M(ω),即式（3）减去20lg[M(ω)],可获得修正后的插入损耗的改善。切比雪夫修正系数为：

M(ω)=C0+C1ω+C22ω+C33ω+C44ω+C55ω+C66ω+C77ω+C88ω (6)

式中，C0=-22474.82；C1ω=56888.04；C2ω=-61886.31；C3ω=37902.16；C4ω=-14274.88；C5ω=3380.81；C6ω=-491.16；C7ω=39.97；C8ω=-1.39。

2 频段修正法