優(yōu)化用于開(kāi)關(guān)電源的EMI輸入濾波器

2020-09-23

EMI和寬帶隙半導體的重要性

由于開(kāi)關(guān)大電流的特性，SMPS會(huì )產(chǎn)生大量噪聲。SMPS拓撲的選擇很重要，并且會(huì )影響濾波器的設計。例如，雙交錯升壓拓撲產(chǎn)生的噪聲比簡(jiǎn)單升壓轉換器產(chǎn)生的噪聲小。一旦選擇了拓撲，就有幾個(gè)設計參數會(huì )影響噪聲水平。轉換器的開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)關(guān)鍵值。通常，選擇高開(kāi)關(guān)頻率以獲得緊湊的設計。但是，高開(kāi)關(guān)頻率可能會(huì )導致EMI過(guò)多。

了解開(kāi)關(guān)元件的上升和下降時(shí)間與產(chǎn)生的噪聲之間的相關(guān)性非常重要。通常，快速開(kāi)關(guān)元件是首選。如今，即使是基于SiC或GaN的寬帶隙器件在功率轉換器設計中非常流行，以提高效率。如果設計不是很仔細地優(yōu)化以避免產(chǎn)生噪聲，那么這種快速開(kāi)關(guān)元件會(huì )加劇噪聲的產(chǎn)生。除了設計參數之外，在包括印刷電路板在內的整個(gè)設計中將寄生元素減到最少總是有幫助的。例如，高壓開(kāi)關(guān)元件與與金屬外殼的連接以進(jìn)行冷卻將產(chǎn)生一個(gè)寄生電容，該寄生電容可以用作共模噪聲離開(kāi)系統的路徑。

EMI輸入濾波器的典型結構

EMI輸入濾波器通常由兩個(gè)功能部分組成：一部分抑制不想要的共模噪聲，另一部分抑制差模噪聲。對于AC / DC轉換器，差模EMI濾波器部分的關(guān)鍵組件是差模電感器和X電容器。對于共模EMI濾波器部分，共模扼流圈和Y電容器。在某些情況下，由于共模扼流圈也可以充當差模電感器，因此可以省略差模電感器。 

分離共模和差模噪聲

EMC標準要求測量?jì)蓷l電源線(xiàn)上的傳導輻射，并且在該頻率范圍內的每個(gè)頻率上電壓均低于指定的極限。依次在一條電源線(xiàn)上執行此測量，然后在另一條電源線(xiàn)上執行。盡管這足以通過(guò)傳導性發(fā)射測試標準，但它無(wú)法提供對噪聲傳播機制的任何見(jiàn)解，因為該測量是導體上共模和差模噪聲的組合。噪聲電流如何在系統內流動(dòng)的原理如圖1所示。

圖1：共模/差模流程

共模電流部分Icm從兩條線(xiàn)上的DUT（被測器件）流入LISN，然后通過(guò)外部接地路徑流回DUT，導致外部接地路徑中兩個(gè)電流部分的總和。正極和負極上的振幅和相位都相同。差模電流顯示出不同的特性。正極導體上的電流流入LISN，噪聲的返回路徑為負極導體。唯一的區別是這兩個(gè)電流之間的相位。它們相差180°，理想情況下應該抵消。只需一點(diǎn)數學(xué)，就可以分離共模和差模噪聲項。使用各個(gè)電流：

I P = I CMa + I DM

I N = I CMb  – I DM

我們可以輕松計算出兩條導體上的電壓：

V P =（I CMa + I DM）* Z LISN

V N =（I CMb  ? I DM）* Z LISN

基于各個(gè)電壓與共模和差模電壓之間的關(guān)系：

V P + V N = V CMa + V CMb

我們可以如下計算共模電壓和差模電壓：

V CM = V P + V N

V DM =?（V P -V N）

簡(jiǎn)單的減法運算得出的值是差模噪聲電平的兩倍，或者是額外的6dB，這在結果評估期間必須予以考慮。使用這些簡(jiǎn)單的計算，可以區分共模噪聲和差模噪聲（包括從差分結果中減去6dB）。如果設置（電纜，LISN的組件等）盡可能對稱(chēng)，則簡(jiǎn)單的數學(xué)計算效果最好。必須同時(shí)測量?jì)蓷l導體上的噪聲。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的設置，用于分離共模和差模噪聲。雙輸出LISN（或兩個(gè)相同的LISN）用于探測兩條電源線(xiàn)，并且信號通過(guò)兩個(gè)通道的兩個(gè)通道捕獲。示波器。求和信號和差信號在示波器上以及（快速傅立葉變換）FFT上進(jìn)行計算。這樣可以直接訪(fǎng)問(wèn)共模和差模噪聲信號。 

圖2：增強的測量設置 

雖然兩個(gè)LISN之間的任何非對稱(chēng)性都會(huì )對測量結果產(chǎn)生一些影響，但實(shí)際上該方法可提供合理準確的結果。要考慮的重要方面是使用相同的電纜長(cháng)度，以及使用質(zhì)量足夠的電纜以避免時(shí)間偏移或幅度損失，這將直接影響分離噪聲分量的能力。

此外，應使用具有足夠低的噪聲前端，直接輸入頻率參數（例如開(kāi)始和停止頻率或分辨率帶寬）以及足夠快速的FFT功能的示波器。

案例分析

用于演示新方法的DUT是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓降壓轉換器。DUT輸入濾波器是簡(jiǎn)單的PI-LC濾波器，對于衰減差模噪聲非常有效。該設置使應用或排除PI-LC-Filter變得簡(jiǎn)單。PCB上不包含共模濾波器，因此共模扼流圈從外部連接到PCB。轉換器沒(méi)有外殼。PCB只需放在金屬接地平面上的隔離塊上即可。該設置有意避免產(chǎn)生過(guò)多的共模噪聲。

如圖3所示，第一次測量是為了顯示輸入功率導體中的最高頻譜。DUT關(guān)閉時(shí)，參考電平測量已經(jīng)確定了系統的噪聲電平。在執行FFT之前，通過(guò)將和表達式除以2，可以補償差分模式下額外的6dB。對于共模，直接使用總和表達式，因為共模噪聲的總量由兩個(gè)測量通道之和表示。

圖3：未應用EMI濾波器

參考線(xiàn)中300 kHz處的峰值是由系統而不是轉換器引起的，并且至少在25dBμV以下可以忽略。在300 kHz的測量過(guò)程中，高幅值差模噪聲（大約65dBμV）是由轉換器的開(kāi)關(guān)頻率引起的。該頻率的諧波和所有更高的奇數倍數是由反射紋波電流引起的，該紋波電流主導著(zhù)差模頻譜。在共模頻譜中，一些峰也可見(jiàn)。這些沒(méi)有被差分濾波器過(guò)濾。

計算LC濾波器可衰減300 kHz的基本幅度。計算出的濾波器諧振頻率為19.3 kHz，這將導致在開(kāi)關(guān)頻率處抑制約40dB。濾波器結構是二階的，因此阻尼約為40 dB /十倍頻程。圖4中的測量結果顯示了濾波器對頻譜的影響。

圖4：應用的差分模式濾波器

差模噪聲可以非常有效地降低到10 MHz，與以前的未濾波值相比，可以降低30 dB。尤其是300 kHz時(shí)的基頻和多次諧波的幅度要低得多。在較高的頻率區域，濾波器效果不佳。噪音最多只能衰減10dB。

共模噪聲不會(huì )顯著(zhù)降低，因為該濾波器被設計為濾波差模噪聲。為了抑制共模噪聲，添加了一個(gè)額外的濾波器。插入了伍爾特電子公司的共模扼流圈。

圖5：共模濾波器的應用

共模噪聲尤其從2 MHz降低到60 MHz。此外，由于共模扼流圈不理想，因此差模噪聲也得到了抑制，并且所產(chǎn)生的漏感起到了差分濾波器的作用。此外，由于未優(yōu)化設置（CM扼流圈沒(méi)有PCB），因此差模噪聲也可能會(huì )受到影響，因此某些不對稱(chēng)組件可能會(huì )導致這種額外的阻尼效果。然而，如圖5所示，由于插入了CM-扼流圈，共模噪聲得到了非常有效的衰減，這是顯而易見(jiàn)的。