EMI濾波器精確設計方法

導言：怎么選擇一個現(xiàn)有的濾波器或者設計一個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)驗作嘗試。EMI濾波器的設計應該充分考慮干擾特性和阻抗特性，在測試數(shù)據(jù)基礎上進行設計是精確濾波設計的唯一方法。本文將教工程師如何進行EMI濾波器的精確設計……

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容性問題成為電路設計工程師極為關(guān)注和棘手的問題。 根據(jù)多年的工程經(jīng)驗，大家普遍認為電磁兼容性標準中最重要的也是最難解決的兩個項目就是傳導發(fā)射和輻射發(fā)射。為了滿足傳導發(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)生的傳導噪聲。但是怎么選擇一個現(xiàn)有的濾波器或者設計一個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)驗作嘗試。首先根據(jù)經(jīng)驗使用一個濾波器，如果不能滿足要求再重新修改設計或者換另一個新的濾波器。因此，要找到一個合適的EMI濾波器就成為一個費時且高成本的任務。

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準要求？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)可進行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實際使用中，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，當干擾信號頻率很高時，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。如果是共模問題引起的干擾，Ｘ類型電容基本上沒有作用，因為兩線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)。
在標準電磁兼容性測試實驗室可得到設備的總干擾情況，但無法了解設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現(xiàn)的。使用專用的傳導測試儀，可獲得設備的總干擾、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標準阻抗系統(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50W的系統(tǒng)中，100mH的濾波器提供約18dB的衰減，但是在一個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，選擇一個具有很高插損的濾波器也不能很好抑制傳導噪聲的原因是，電源輸入端阻抗的影響。因此，設計者除了選擇一個合適的濾波器之外，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
濾波器的設計

知道設備的干擾特性和輸入阻抗特性后，設計或者選擇一個濾波器就變得簡單了。如果使用一個現(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)，找到一個合適的濾波器。如果沒有合適的或者想專門設計一個專用濾波器，可以借助專用的濾波器設計軟件。在確定一個濾波器模式后輸入濾波器一些簡單的約束條件，設計軟件根據(jù)阻抗特性自動計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 一種由軟件設計的最佳濾波器

設計結(jié)果

在對某產(chǎn)品進行了干擾特性和阻抗特性測試后，需要解決一個低于5MHz的低頻干擾問題。專用濾波器設計軟件結(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)驗的濾波器設計人員認為采用一個13.5mH共模電感的濾波器是足夠了。使用一個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 最小15mH的系統(tǒng)使用和18mH時的測試結(jié)果

為了驗證軟件的設計數(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濾波器的設計應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)基礎上進行設計是精確濾波設計的唯一方法。