一種有源共模EMI濾波技術(shù)研究

　　摘要：實現(xiàn)了一種用于開關(guān)電源的有源EMI共模濾波器方案，并在一個半橋電路的基礎(chǔ)上應(yīng)用這種方案，對整機(jī)做了EMI傳導(dǎo)測試。分析與實驗結(jié)果也驗證了有源濾波器的使用對開關(guān)電源的共模傳導(dǎo)干擾抑制的有效性。

　　關(guān)鍵詞：有源EMI濾波器;共模抑制;傳導(dǎo)干擾

　　0 引言

　　開關(guān)電源中功率開關(guān)器件的高速開關(guān)動作(從幾十kHz到數(shù)MHz)，形成了EMI騷擾源，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。為此，國內(nèi)外也制定了許多標(biāo)準(zhǔn)來限制開關(guān)電源的干擾。

　　在美國和歐洲，傳導(dǎo)噪聲是按FCC和VDE標(biāo)準(zhǔn)A級和B級限制嚴(yán)格管理的，這兩個標(biāo)準(zhǔn)是全世界通用標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)電源的產(chǎn)品如果要通過EMC測試標(biāo)準(zhǔn)，往往需要綜合采用各種方法，而大部分都需要增加濾波器。傳統(tǒng)的濾波器大多采用無源濾波器，無源濾波器常常受到可用的電感、電容的體積制約。因此，很多國外學(xué)者對有源的EMI濾波器做了很多研究，來試圖找到解決的辦法。本文主要是闡述了一種有源EMI濾波器方案，分析了它減小傳導(dǎo)共模EMI的原理，并給出了實驗波形及結(jié)果。最后的實驗結(jié)果顯示，它需要的電感、電容的體積相對較小，對高頻干擾提供足夠的衰減。

　　1 傳導(dǎo)共模干擾的測量

　　以一個AC/DC半橋變換器為例，測量裝置接法如圖l所示，電網(wǎng)供電是經(jīng)過一個電網(wǎng)阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，LISN的測量電壓送入分析裝置以分析干擾量。LISN包含電阻、電感和電容，相對于50Hz低頻信號，50μH電感相當(dāng)于短路，而O.1μF電容則相當(dāng)于開路;而對于EMl噪聲頻率的信號，該電感則呈現(xiàn)高阻抗，而電容則呈現(xiàn)低阻抗，從而是噪聲電流流過50Ω電阻，可測得的其上電壓Vx、Vy值，由傳統(tǒng)理論可以分析得出，共模干擾電壓VCM與Vx、Vy的關(guān)系為

　　2 傳導(dǎo)干擾傳播途徑的分析

　　共模干擾噪聲源主要來自開關(guān)器件對地電容，仍以上面的AC/DC半橋變換器為例，MengJin等人通過理論實驗論證得出了共模噪聲回路的一個模型。

　　實際電路中，由于元器件等的寄生參數(shù)的影響，比如電容元件的寄生電感，電感元件的寄生電容以及PCB布局、布線的寄生參數(shù)，真實的共模噪聲回路是很難得出的。其中一個主要寄生參數(shù)是MOSFET與其連接的散熱器之間的電容Cp，而散熱器從安全角度考慮通常都是連接到地的，而且為了導(dǎo)熱，MOSFET與散熱器之間的絕緣墊片很薄，這也使得Cp尤其大，故認(rèn)為共模噪聲主要途徑是由交變電壓作用在對地的寄生電容上這個網(wǎng)路中傳播的。通過分析不難得知：當(dāng)VAB>V1+V2，整流管D1、D3是導(dǎo)通的，如圖2和圖3所示，當(dāng)S1開通時，F(xiàn)點電位被箝位為Vc。通過R1、C1.D1、S1、Cp和R2、C2、D3、V1、Cp兩條回路對Cp充電;當(dāng)S2開通時，F(xiàn)點被箝位為VE，Cp通過S2、D3、C2、R2、Cp和S2、V1、D1、R1、Cp進(jìn)行放電;當(dāng)VAB

　　3 共模有源濾波器實驗設(shè)計原理

　　Shikoski J.提出了一種有源濾波器的原理拓?fù)淙鐖D4所示，Vr是高頻噪聲干擾源，通過ZSENSE感應(yīng)噪聲電流ir，并通過反饋輸出補(bǔ)償電流Air，以此來抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的噪聲電流，從而達(dá)到消除躁聲電流的目的。圖5為實驗中的共模有源濾波器的基本原理圖，它也是基于以上原理來設(shè)計的。一般LISN測得的傳導(dǎo)干擾包含了共模和差模的EMI，在實際應(yīng)用中，差模干擾較易濾除，共模干擾往往成為傳導(dǎo)干擾的瓶頸，因此圖5中的輸入濾波器用數(shù)個O.47μF的X電容并聯(lián)在L、N線兩端，這樣可以基本濾掉差模干擾，在實驗中著重共模EMl的抑制。電流互感器LCM這里的作用是感應(yīng)共模電流，它將高頻噪聲信號從電源端分離出來，并在RIN兩端產(chǎn)生高頻的電壓加在運放兩端。這里ig為被檢測到的共模干擾電流，in為開關(guān)電源中的共模干擾源，運放的作用是由輸出電壓通過電容C1、電阻R3產(chǎn)生電流ic以補(bǔ)償in。C1將濾波電路與主電路隔離，其作用是對主電路中直流和低頻的功率電流呈高阻抗，而對噪聲的高頻信號呈低阻抗。

　　4 實驗設(shè)計

　　4.1 運算放大器的選擇

　　在理想情況下，通過補(bǔ)償ig=O，這需要ic=-in，在實際中往往由于運放的反饋網(wǎng)絡(luò)不可能是無窮大，而且從穩(wěn)定性考慮，高頻情況下對環(huán)路增益折中選擇。另外需選用頻帶較寬，響應(yīng)速度快，對輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制并且能輸出較大電流(電流幅值約20mA/120dBμV)的運放，這里選擇運放為TI公司的THS系列中如THS4001或者Fairchild公司的FHP3130、FHP3230、FHP3430等。

　　4.2 電流互感器的設(shè)計

　　這里電流互感器采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)，選取原副邊匝比為l：N，其中原邊為一匝電源進(jìn)線，這里需要電流互感器有一階高頻特性，其低頻可等效為如圖6所示，可以知道其下限頻率為

　　式中：Ae為磁芯的有效截面積;

　　ι為有效磁路長度;

　　μr為相對磁導(dǎo)率。

　　故要改善下限截止頻率，可以增加副邊繞組，增加磁芯有效截面積等來實現(xiàn)。

　　對于上限截止頻率，提高電流互感器高頻特性，只有盡量減小互感器的寄生參數(shù)的影響，如為了消除原、副邊繞組間寄生電容對電流互感器高頻特性的影響，對原邊電流進(jìn)線可采用屏蔽設(shè)置。

　　4.3 C1的選擇

　　C1起到的是隔離直流偏置電源與主電路回路的作用，這里選擇Yl型電容。

　　5 實驗及結(jié)果分析

　　實驗以一個半橋變換電路作為被測對象，實驗環(huán)境為全屏蔽實驗室。實驗所用儀器為一臺LISN和一臺SCR3501型電磁兼容測量分析儀。被測物距地面高度為0.8 m，距檢測裝置LISN水平距離O.8 m，所有裝置的外殼均可靠接大地。測得被測對象的傳導(dǎo)FMI頻譜如圖7、圖8、圖9所示，均采用峰值檢測頻譜圖中的兩條準(zhǔn)線，上面一條為歐盟傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)EN55022B，下面一條線為與之相差lOdB表示裕量。圖7為無任何EMI濾波措施時裝置的頻譜，噪聲電流直接經(jīng)分布電容流回交流電源側(cè)，因此超標(biāo)嚴(yán)重;圖8為增加了有源濾波裝置后共模噪聲測量頻譜，在全頻段范圍內(nèi)均有大幅衰減，在較低頻段(150kHz～2MHz)抑制略有不足，圖8中標(biāo)示在210 kHz這個點上仍然超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(該點處約64dB)約3.5 dB。圖9為有源與無源濾波電路相結(jié)合后所測得的噪聲頻譜，在有源濾波的基礎(chǔ)上還增加了一個小的共模電感并增加了兩個Y電容，此時150kHa~1 MHz上的噪聲明顯衰減，全頻帶范圍內(nèi)噪聲值均在下面一條準(zhǔn)線以下，因此至少還有10dB裕量。

　　6 結(jié)語

　　本文闡述了共模傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生及其流動的回路以及測量的原理，并以此對有源濾波器的進(jìn)行了分析與設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了實驗電路，通過實驗證明了該方案的可行性。可以得出以下結(jié)論。

　　(1)這種有源EMI濾波器能夠?qū)MI的共模干擾起到類似無源元件構(gòu)成的濾波器的濾波作用，通過實驗證明，濾波器工作性能是穩(wěn)定的，配合少量無源元件可以達(dá)到EMI檢測合格標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)與傳統(tǒng)的EMI濾波器相比較，該有源濾波器易于集成，這也是一種趨勢，現(xiàn)在已經(jīng)有用于DC/DC方面的集成有源EMI濾波器的成品，如PIC0R公司的QPI-3，采用封裝為1.0”×1.O”×O.2”SIP，能有效減少濾波器的體積和高度，且在很大程度上不依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，這種利于集成和以實用為主導(dǎo)的技術(shù)思想也是開關(guān)電源EMI抑制手段的一種新思路。