优化开关模式电源的 EMI 输入滤波器

任何开关模式电源 (SMPS)都需要EMI（电磁干扰）输入滤波器，以避免对电源线造成干扰，以及对连接到电源线的其他组件或系统产生干扰。因此，设计和优化输入滤波器是 SMPS 开发的一项重要任务。虽然必须添加共模和差模噪声滤波器元件，但很少单独优化它们。特别是对于高功率应用，这可能会导致 EMI 滤波器比实际需要的大得多。

在本文中，我们讨论了一种使用双输出 LISN（线路阻抗稳定网络）和至少具有两个通道的示波器来分离共模和差模噪声分量的简单方法，这使得优化共模和差分噪声成为可能。 - 模式滤波器组件分开，从而为设计输入滤波器提供更准确的数据。

EMI 和宽带隙半导体的重要性

由于开关大电流的特性，SMPS 会产生相当多的噪声。SMPS 拓扑的选择非常重要，会影响滤波器的设计；例如，双交错升压拓扑产生的噪声比简单升压转换器要少。一旦选择了拓扑结构，就有几个影响噪声水平的设计参数。转换器的开关频率是一个关键值。通常，选择高开关频率以获得紧凑的设计。然而，高开关频率可能会导致 EMI 过高。

了解开关元件的上升和下降时间与产生的噪声之间的相关性非常重要。通常，快速开关元件是。如今，即使是基于SiC或GaN的宽带隙器件在电源转换器设计中非常流行，以提高效率。如果设计没有非常仔细地优化以避免噪声产生，那么这种快速开关元件就会加剧噪声的产生。除了设计参数之外，限度地减少整个设计（包括印刷电路板）中的寄生元件总是有帮助的。例如，高压开关元件与用于冷却的金属外壳的连接相结合将产生寄生电容，该寄生电容可以充当共模噪声离开系统的路径。

典型 EMI 输入滤波器结构

EMI 输入滤波器通常由两个功能部分组成：一部分用于抑制不需要的共模噪声，另一部分用于抑制差模噪声。对于AC/DC转换器来说，差模EMI滤波器部分的关键元件是差模电感和X电容。对于共模EMI滤波器部分，共模扼流圈和Y电容。在某些情况下，可以省略差模电感器，因为共模扼流圈也可以充当差模电感器。

分离共模和差模噪声

EMC 标准要求测量两条电源线上的传导发射，并且频率范??围内每个频率的电压均低于指定限值。该测量按顺序在一根电源线上执行，然后在另一条电源线上执行。虽然这足以通过传导发射测试标准，但它并没有提供对噪声传播机制的任何见解，因为测量是导体上共模和差模噪声的组合。噪声电流在系统内流动的原理如图1所示。

图 1：共模/差模流程

共模电流部分Icm在两条线路上从DUT（被测器件）流入LISN，并通过外部接地路径流回DUT，导致外部接地通路中的两个电流部分之和。正导线和负导线的振幅和相位相同。差模电流表现出不同的特性；正导体上的电流流入LISN，噪声的返回路径是负导体。的区别是这两个电流之间的相位；它们相差180°，理想情况下应该抵消。通过一点数学知识，可以分离共模和差模噪声项。使用单个电流：

IP = ICMa + IDM
I N = I CMb  – I DM

我们可以很容易地计算出两个导体上的电压：

V P = (I CMa + I DM ) * Z LISN
V N = (I CMb  ? I DM ) * Z LISN

根据各个电压与共模、差模电压之间的关系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我们可以计算共模和差模电压如下：

V CM = V P + V N
V DM = ? (V P - V N )

简单减法得到的值是差模噪声水平的两倍，即多出 6dB，在结果评估期间必须考虑到这一点。使用这些简单的计算，区分共模噪声和差模噪声（包括从差分结果中减去 6dB）。如果设置（电缆、LISN 组件等）尽可能对称，则简单的数学计算效果；必须同时测量两个导体上的噪声。图 2 显示了一种简单但有效的分离共模和差模噪声的设置。双输出 LISN（或两个相同的 LISN）用于在两条电源线上进行探测，信号由一个双输出 LISN 的两个通道捕获。示波器。和信号和差信号在示波器以及（快速傅立叶变换）FFT 上计算。这样可以直接访问共模和差模噪声信号。

图 2：增强型测量设置

虽然两个 LISN 之间的任何不对称都会对测量结果产生一些影响，但实际上该方法提供了相当准确的结果。需要考虑的重要方面是使用相同的电缆长度，以及使用具有足够质量的电缆以避免时间偏移或幅度损失，这将直接影响分离噪声分量的能力。

此外，应使用具有足够低噪声前端、直接输入频率参数（例如起始频率和终止频率或分辨率带宽）以及足够快的 FFT 功能的示波器。

分析

用于演示新方法的 DUT 是一个简单的降压转换器。DUT 输入滤波器是一个简单的 PI-LC 滤波器，对于抑制差模噪声非常有效。该设置使应用或排除 PI-LC 滤波器变得简单。PCB 上不包含共模滤波器，因此共模扼流圈连接在 PCB 外部。转换器没有外壳；PCB 只需放置在金属接地层的隔离块上即可。该设置有意避免产生过多的共模噪声。

次测量（如图 3 所示）显示了输入功率导体中的频谱。当 DUT 关闭时，参考电平测量已经确定了系统的噪声电平。在执行 FFT 之前，通过将和表达式除以 2 来补偿差分模式中额外的 6dB。对于共模，直接使用求和表达式，因为共模噪声总量由两个测量通道的总和表示。

　
图 3：未应用 EMI 滤波器

参考线中 300 kHz 处的峰值是由系统而不是转换器引起的，并且至少可以忽略高达 25dBμV。在 300 kHz 测量期间，高幅度差模噪声（大约 65dBμV）是由转换器的开关频率引起的。该频率的谐波和所有更高的奇数倍都是由反射纹波电流引起的，该电流在差模频谱中占主导地位。在共模谱中也可以看到一些峰；这些没有被微分滤波器过滤。

LC 滤波器经计算可抑制 300 kHz 处的基波幅度。计算出的滤波器谐振频率为 19.3 kHz，这应该会导致开关频率处约 40dB 的抑制。滤波器结构为二阶，因此阻尼约为 40 dB/Decade。图 4 中的测量显示了滤波器对频谱的影响。

图 4：应用的差分模式滤波器

与之前未滤波的值相比，差模噪声非常有效地降低了高达 10 MHz，阻尼高达 30dB。特别是 300 kHz 的基波和多次谐波的幅度要低得多。在较高频率区域，滤波器效果不佳；噪音多只能衰减 10dB。

由于滤波器是为了滤除差模噪声而设计的，因此共模噪声并未显着降低。为了抑制共模噪声，添加了一个额外的滤波器。插入了 Würth Electronic 的共模扼流圈。

图 5：应用共模滤波器

共模噪声尤其从 2 MHz 降低至 60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理想，并且产生的漏感充当差分滤波器，因此差模噪声也被衰减。此外，差模噪声也可能受到影响，因为设置未优化（CM 扼流圈没有 PCB），因此一些不对称组件可能会导致这种额外的阻尼效应。然而，如图 5 所示，可以清楚地看到，由于插入了共模扼流圈，共模噪声得到了非常有效的抑制。　

结论

有效的输入滤波器设计对于满足开关模式电源传导发射的 EMI 标准至关重要。通常，EMI 滤波器由共模滤波器和差模滤波器组成，这两个元件都必须进行设计和优化。有关共模噪声和差模噪声贡献的准确信息极大地有助于设计和优化 EMI 输入滤波器的任务。使用双输出 LISN（或两个相同的 LISN）以及示波器上的一些数学运算，可以直接在示波器上分离共模和差模噪声。结果是一个有效的工具，可以使用每个电源电路设计人员都必须拥有的示波器的 FFT 功能来优化 EMI 滤波器的两个部分。