开关电源EMI滤波器设计

        随着开关电源的迅速发展和广泛应用，它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件，可以有效地抑制开关电源中的传导干扰。
EMI滤波器又称作电源线滤波器，安装在电源线与设备之间，既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网，所以EMI滤波器是电源抗干扰和干扰抑制设计中非常重要的器件。
电磁兼容性问题是衡量电子产品质量的一个重要指标，日益成为电子产品设计中的关键项目。在电源系统设计过程中，引入电磁兼容性设计，可以提高电源系统的整体抗干扰能力，延长系统的使用寿命，确保使用的安全性。
EMC电源线传导发射即CE102是用来测量EUT输入电源线上的传导发射的，而通过CE102 10 kHz~10 MHz电源线传导发射试验是当前几乎所有军用供电设备需满足的设计要求，EMI滤波器设计不当，将直接导致电源线传导发射超标，设计失败。
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1 EMI 滤波器设计
传导型的EMI 噪声包括共模噪声和差模噪声两种。共模噪声存在于所有的交流相线和共模地之间，其产生来源被认为是电气回路之间绝缘电流以及电磁耦合等。差模噪声存在于交流相线之间，产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复电流。所以在进行EMI滤波器设计时，以滤除共模噪声和差模噪声为目标开展设计。
本文设计了一个LC 滤波器作为EMI滤波器，其原理框图如图1虚线框中所示，图中负载为一高速开关电路。电路中L1和L2为共模电感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1为滤波电容，L1，和L2，被设计用来抑制共模干扰，但由于实际电感在生产时的不对称，其对差模干扰也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并联在电源正负线两端，主要用来抑制差模干扰，而CY1 和CY2 分别从负、正电源线引出到共模地，主要用来抑制共模干扰。


图1 EMI滤波器原理框图

共模电感值的选取与负载情况有关，即电感值与其通过的额定电流有关，关系如表1所示。



LC滤波器的3 dB截止频率为：



对于共模等效电路，滤波器相当于一个LCL 滤波器，对于差模等效电路，滤波器相当于一个CL′CL′C′滤波器，均可通过公式（1）计算得出所需电容值，差模等效电路中，由于L′值为共模电感生产不精确引入的，值较小，计算时可忽略不计。


       
2 EMC试验情况
依据GJB152A CE102 试验方法，测试链路图如图2所示。


图2 CE102测量配置图

图中EUT 为被测设备，在以下两种条件下开展CE102测试：
测试条件一：不加EMI滤波器，开关电路负载情况下的测试；
测试条件二：添加所设计EMI滤波器，开关电路负载情况下的测试。
测试条件一和测试条件二的正线传导骚扰测试结果图如图3、图4所示。


图3 测试条件一CE102正线传导骚扰图


图4 测试条件二正线传导骚扰图

由测试图可见，添加所设计滤波器后，超标频点传导骚扰虽然得到抑制，但依旧超标，无法通过试验。通过扫描回线传导骚扰发现，回线传导骚扰与正线在相同频点处超标，且幅值相差不大，从而可判断干扰为共模干扰，说明该滤波器在设计应用后，共模干扰没有得到有效滤除。
3 设计整改
在该EMI 滤波器设计时，CY1 和CY2 分别从负、正电源线引出到共模地，即将共模干扰信号引导入共模地来消除共模干扰，可见共模地的设计很关键，而共模地的设计主要体现在PCB设计上。在PCB设计时，Y电容共模地覆铜面积仅在表层铺设且面积不大，如图5 所示（虚线框为实际共模地覆铜面积），这极有可能是造成EMI滤波器没有完全滤除开关电源的共模噪声的原因所在。
对PCB进行更改，增大共模地铺铜面积，在多层敷设共模地网络（该板为6层板），并且将共模地的铺铜面积覆盖DC-DC 模块下面，设计如图6 所示重新制板生产。
按照上文所述办法重新进行CE102试验，测试结果图（正线）如图7所示，回线情况与正线情况类似。


图5 EMI滤波器共模地布局情况


图6 整改后的EMI滤波器共模地布局情况


图7 整改后的正线传导骚扰图

可见，经重新PCB布局后，滤波器成功将共模噪声抑制并满足测试要求，说明在PCB设计时共模地设计对EMI滤波器的设计成功至关重要。
4 结语
EMI滤波器可有效滤除开关电源的共模噪声和差模噪声，在开关电源的设计中，越来越受关注。一个原理正确的EMI滤波器设计，在实际工程应用中，会由于PCB设计不当，造成滤波器失效。本文通过CE102实验验证，证明了共模地的PCB设计在EMI滤波器设计中至关重要，同时证明了本文设计的EMI滤波器的有效性。