实际滤波器的设计与优化

几乎所有的电气设备中都会发现有开关电源的应用。通常要求开关电源的效率应尽可能高，空载下损耗应控制在毫瓦范围内。与之相反的要求则是：产品的综合成本应尽可能低。鉴于符合标准的产品才能进入市场，新技术的市场转化时间越来越重要。

EMC 滤波器通常是产品优化方案中的重要组成部分。正确的EMC 滤波器拓扑可以节省产品认证和优化电磁兼容性能的时间。此外，优化的EMC 滤波器可以降低产品的成本和体积。

下面列出的技术文章给出了能深入到EMC 滤波器设计领域的视角。我们将在这里说明为什么考虑滤波器元件的寄生参数是重要的，以及如何利用实用仿真方法加快设计进程。

一个产品的成功与否取决于它占领市场的速度。通常，产品认证是一个耗时的环节。如果产品没有通过认证，可能需要重新设计整个产品，因而会增加开发成本；产品延期进入市场也会造成更大的损失。

仔细观察电源的EMC 发射情况，可以发现电磁发射主要有两种形式：传导发射，其频段一般在数kHz 到30MHz 之间；辐射发射，其频段一般在30MHz 到数GHz。降低传导发射通常使用EMC 电源滤波器。EMC 电源滤波器（即开关电源中的滤波器）可能会占整个产品的重要部分。而开发阶段我们总是缺少时间，这成为开发阶段的一种“正常”情况，甚至在产品市场开发之前，要求完成样品。由于缺乏时间，提出的解决方案可能不是最优的。这必然导致滤波器的重新设计，产生不必要的成本——依据这种设计方法，产品的材料成本将高达整个产品价格的15%。滤波器设计中经常使用的技术，是“试凑”的方法，也就是不停的更换滤波器元件，如电容和电感，将它们焊接在一起，直到测量的干扰在电磁兼容标准限制内。使用这种方案，设计者通常也无法了解改变这些参数之后会有什么影响。

使用这种方法，最后终可获得一个解决方案，但它是我们所需要的最佳方案吗？

干扰类型：共模干扰或差模干扰

要优化EMC 滤波器设计，了解干扰的类型很重要。我们还应该了解在某一频段内哪一种类型的干扰占主导地位。我们可以将传导发射分为差模噪声(DM) 和共模噪声(CM)。差模噪声通常在1MHz 以下的低频段占主导地位。在开关电源中，差模噪声主要源于直流母线电容的等效串联电阻（ESR）两端的压降。电压降由纹波电流产生（例如有源功率因数校正器产生的纹波电流）。共模干扰(CM) 通常在1MHz 到100MHz 之间占主导地位。在这个频段范围内，必须要考虑寄生参数和耦合路径。噪声类型对于EMC 滤波器的设计会产生重大影响。如果获知了干扰类型、寄生参数和耦合路径，我们就可以开始设计滤波器。

电容性的电抗器和电感性的电容器

为了抑制共模干扰和差模干扰，最常见的EMC滤波器结构是LC 型拓扑。正确选择电感非常重要。须考虑的要点之一就是共模电感（共模扼流圈）的频率特性。下面我们来设计一个LC 型滤波器。图1 给出了它的拓扑结构。

图1 LC型滤波器

图中的电容Cy 是Y 形联接的电容。这个电容形成一个返回至共模噪声源( 开关电源的功率开关管对地) 的低阻抗路径。L-CMM 是共模电感，共模电感构建了共模电流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流电源线的电容，它与共模电感的漏感一起形成一个差模LC滤波器，用于抑制差模噪声。接下来的设计中，我们总是基于图1 所示的基本原理图来进行讨论。

图2 给出了一个10mH 共模电感的阻抗特性曲线，其中蓝色曲线表示10mH 电感的理想特性，红色则表示实际特性，谐振频率在200kHz。高于这个频率时共模电感就表现为电容特性！我们还可发现，共模电感漏感的谐振频率在20MHz。如果我们确信1MHz 以上时是共模噪声起主要作用，我们就应该考虑电感的频率特性。

图2 10mH共模电感的阻抗特性

图3 某个2.2nF-Y电容的阻抗特性

现在我们来分析Cy 电容的频率特性。图3 给出了一个2.2nF 瓷片电容的阻抗特性，测量值为红色曲线，理论值为蓝色。由于该电容内部等效电感较小，所以它有非常好的高频特性，其谐振频率在30MHz以上。基于这一特点，这种电容常被用来减少传导发射。如果想使用这种电容对高达数百MHz 的辐射发射起作用，就要特别关注其频率特性范围。

到目前为止，滤波器的无源元件实际特性都不是最佳的。显然，为了预测滤波器的实用效果，仅仅基于理论值设计是不够的。

基于实测值的EMC 滤波器设计

通常我们进行EMC 滤波器优化的步骤如下：先测量噪声频谱。还要在测量结果中尽力将共模噪声和差模噪声分离。如果我们知道噪声的幅值，并了解电磁兼容标准限值，则可以计算出在一定的频率范围内依从标准所需的衰减量。所需衰减量可以通过以下几种方式计算。

一种方式是用纸和笔的手工计算。我们可以基于电容和电感的理论值来进行计算。但如前面所提到的，这显然不是最好的方式，尤其是在高频范围内尚
需考虑滤波器元件寄生参数的影响时。另一种解决方案是使用spice 仿真软件。通常一个有实际意义的仿真，需要首先推导出单一滤波器元件的等效电路，而这些元件要考虑其所有的寄生参数。基于所需精度和元件数量方面的考虑，这个方法可能仍是一个耗时的过程。

另一个解决方案是直接用所测量的滤波器元件阻抗特性曲线进行滤波器设计和仿真。正如我们从图2和图3 中所看到的情况，实际阻抗曲线包含了寄生参数的影响。如果我们能够直接使用实际滤波器元件的阻抗曲线进行仿真，将会得到非常精确的滤波器仿真结果。

用这种方法，我们需要什么样的条件呢？

首先我们需要一个矢量网络分析仪（VNA），用来测量滤波器元件在所需频率范围内的阻抗和相位曲线。为了获得本文中展示的仿真，我们使用带有外部阻抗失配器的VNA 对滤波器元件进行了测量。图4给出了这样的测量全频段阻抗布局图。

图4 带外部适配器的矢量网络分析仪（VNA）

测量所需滤波器的所有元件时，我们需要一个软件工具能集成所有的阻抗曲线，来进行滤波器仿真。为此，我们使用内加尔工程公司（Negal Engineering）的EFsyn 软件。

在图5 中可以看到，有一个绘制滤波器原理图的窗口。滤波器元件后（如图5 中的红色标记的电感）没有SPICE 模型。我们直接使用复杂的元件阻抗曲线代之。这种方法还有另一优势，就是它非常快。采用矢量网络分析仪，我们可以为了滤波器设计，去测量在元件货架中的所有想要使用、或将要使用的元件。在元件库中输入所有的测量值后，我们可直接模拟包含寄生元件参数的新滤波器。

图5 基于阻抗测量值的滤波器设计软件优化

优化：若滤波特性比期望特性差

设计示例：我们来设计一个LC 型共模滤波器。我们知道， 对于传导发射而言， 共模干扰大多在1MHz 到30MHz 之间起主导作用。如果我们在电感和
电容实际测量值的基础上，对图1 所示的滤波器仿真，可以得到如下结果：

图6 所示共模滤波器的仿真结果

图6（译者注：原文此处错为图4）中，蓝色曲线表示共模滤波器基于元件理论值仿真的频率响应，红色曲线则表示共模滤波器基于元件实际测量值仿真的频率响应。针对图6 的仿真结果，我们可假定电源的输出阻抗为100 欧姆，电源线一侧的阻抗是25 欧姆。在图6（译者注：原文错为图4）中我们看到，共模滤波器的第一个谐振频率在200kHz，这是共模电感谐振频率的影响所致（见图2）。由于，共模滤波器的第二个谐振频率在20MHz 附近，这是共模电感的漏感所致。在30MHz 附近还有一个因Y 电容Cy 引起的谐振。

在1MHz 的红色光标处显示，滤波器的理论衰减值和实测值的衰减仿真结果，差异超过20dB。这就意味着，所设计滤波器噪声衰减程度比预期的少10 倍考虑其他在实际应用中降低滤波器性能的因素！这个例子表明，实践：来自EMC 实验室的故事

过去我们碰到过很多类似事情：我们在研制样机的过程中，想寻求一个降低传导发射和辐射发射的解决方案。例如，用15mH 的扼流圈替换10mH 的扼流圈。我们直觉认为15mH 的扼流圈会优于10mH 的扼流圈。但结果却是，干扰在一个频段内降低了，却在另一个频段内被放大了！实际元件的射频特性可能是其诱因。通常，相同体积的共模扼流圈，感值较大的电感由于线圈匝数的增加而具有更大的寄生电容，因此可能会在较低的频率下发生谐振。利用本文提出的方案，可以充分考虑这种影响，且不需要花费太多的时间去焊接电路。

结论

要在最短的时间内找到最佳的解决方案，让人最感兴趣的是结构化的设计方法。首先，我们应该知道干扰类型和所关心的频率范围。对于1MHz 以上的干扰，应该考虑滤波器元件的射频特性。考虑了滤波器元件寄生参数和频率特性的仿真，会带来更优化的解决方案，从而缩减开发时间，降低产品价格。此外，这种方法也可以让我们更好地了解EMC 滤波器的工作原理。