传导EMI抑制-Π型滤波器设计

news2024/11/15 15:44:28

1 传导电磁干扰简介

在开关电源中，开关管周期性的通断会产生周期性的电流突变（di/dt）和电压突变(dv/dt)，周期性的电流变化和电压变化则会导致电磁干扰的产生。

图1所示为Buck电路的电流变化，在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的。这些突变电流导致了电磁干扰的产生。

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图 1 Buck电路中的电流变化

图2为Buck上管电流的频域分析图。电磁干扰出现在基波及其谐波频率处。这个噪声是开关电源特性所致，它的产生是无法避免的。因此需要π型滤波器对此干扰进行抑制。
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图 2 Buck上管电流的频域分析

2 Π型滤波器设计原理

图3为典型传导EMI测试架构， DUT为待测设备。LISN主要用测试中来隔离电网可能导致的高频干扰，从而使得EMI测量到DUT产生的真正EMI干扰。π型滤波器由滤波电感Lf，滤波电容Cf和阻尼电容Cd组成。Cin是DCDC的输入电容。π型滤波器是用来过滤DUT产生的EMI，以阻止DUT对电网的电磁干扰。

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图 3 典型π型滤波器原理图

π型滤波器设计步骤如下

1) 计算衰减倍数

在设计π型滤波器时，首先要确定衰减量|Att|_dB。如果已经测过没加π型滤波器的传导EMI，只需用基波处最大干扰值Vnoise减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax即可。

|Att|_dB=V_noise-V_max

如果未测过没加π型滤波器的传导EMI，可以通过以下公式对衰减量进行估算。以下公式通过对开关电流进行傅里叶分解，得到预估的基波干扰量，然后再减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax，得到预估衰减量。

|Att|_dB=20log⁡((I/(π^2fsC_IN)sin⁡πD)/1uV)-V_max

其中：

• Vmax是EMI标准允许的最大dBuV噪声；

• CIN是已有输入电容；

• D是占空比；I是输出电流;

• fs是开关频率。

2) 选择滤波电感Lf感值

电感Lf取值通常在1uH到10uH之间。可以根据情况进行电感值的选取。如果用于大电流应用中，可选取小电感来减小损耗。

3) 计算滤波电容Cf容值

电容Cfa值用于确保EMI滤波器的谐振频率至少低于十分之一开关频率。Cfb值用于确保EMI滤波器有足够的衰减量。选取Cfa和Cfb中更大的值作为滤波电容Cf容值。

C_fa=C_IN/(C_INL_f〖(2πfs/10)〗^2-1)

C_fb=1/L_f(〖〖(10)〗^{(|Att|_dB/40)/2πfs)〗}2

4) 计算阻尼电容Cd容值

滤波电感Lf和滤波电容Cf组成的LC滤波器对传导噪声进行有效的抑制。同时，滤波电感Lf和输入电容CIN也组成了一个LC滤波电路。这个LC滤波电路的输出阻抗（即π型滤波器在VIN点的阻抗）必须足够小，才能使π型滤波器不会明显影响开关电源的环路增益。LCR电路的Q值为L/C/R。要使π型滤波器对开关电源的环路增益尽可能小，则需增加阻尼电容Cd和ESRd来降低LC的Q值。图４展示了不同Cd值对应的增益曲线，从中可以看出增加Cd可以使Q值减小。图5展示了不同ESR值对应的增益曲线，从中可以看出ESR的增加可以使Q值减小。

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