加快开关模式电源EMI滤波器的设计

作者：Henry Zhang and Sam Young

开关模式电源用于整个现代电子系统，主要是因为它们具有高效率的电源转换。开关模式电源激增的一个副作用是它们产生的噪声。这通常被称为电磁干扰 （EMI）、EMI 噪声或只是噪声。例如，典型降压转换器的输入侧开关电流是富含谐波成分的脉动电流。功率晶体管的快速导通和关断会导致电流突然中断，导致高频电压振铃和尖峰。

问题在于高频噪声会耦合到系统中的其他器件，从而降低敏感的模拟或数字信号电路的性能。正因为如此，出现了许多标准来设定可接受的EMI限制。为了满足开关模式电源的这些限制，必须首先量化其EMI性能，并在必要时添加适当的输入EMI滤波以衰减EMI。不幸的是，EMI分析和滤波器设计可能是一项艰巨的任务，通常需要一个耗时的设计、构建、测试和重新设计的迭代过程，也就是说，假设有合适的测试设备。为了加快EMI滤波器设计过程以满足EMI规范，本文将介绍如何使用ADI公司的LTpowerCAD程序轻松估算和预构建传导EMI噪声分析和滤波器设计。®

不同类型的EMI：辐射和传导噪声、共模和差模

EMI有两种主要类型：辐射和传导。在开关模式电源中，辐射EMI通常由开关节点上的高dv/dt噪声产生。辐射发射的行业标准通常涵盖 30 MHz 至 1 GHz 的频段。在这些频率下，开关稳压器的辐射EMI主要由开关电压振铃和尖峰产生，并且在很大程度上取决于PCB板布局。除了良好布局实践中固有的内容外，几乎不可能精确预测开关模式电源将在“纸上”传输多少辐射EMI。人们必须简单地构建电路板，并在设计足够好的EMI实验室中测量其EMI，以量化其辐射噪声水平。

传导EMI是由开关稳压器传导输入电流的快速变化引起的，包括共模（CM）和差模（DM）噪声。传导发射的标准行业限制通常涵盖比辐射发射更低的频率范围，即从150 kHz到30 MHz。 图1显示了DC-DC电源（EMI实验室中的DUT）共模和差模噪声的通用导通路径。

为了量化传导输入EMI，在稳压器的输入端放置了一个线路阻抗稳定网络（LISN），提供标准输入源阻抗。测量每条输入线和接地之间的CM传导噪声。CM噪声在高dv/dt开关节点产生，通过器件的寄生PCB电容C耦合P，接地，然后行进电源输入 LISN。与辐射EMI一样，高频开关节点振铃和寄生电容无法在纸质设计中轻松准确地建模。

DM噪声在两条输入线之间以差分方式测量。DM传导噪声产生于开关模式电源的高di/dt、脉动输入电流。幸运的是，与其他EMI类型不同，输入电容和LISN电路产生的脉动输入电流和产生的相对低频EMI可以通过LTpowerCAD等软件以可接受的精度进行预测。

图1.基于LISN的开关模式电源差模和共模传导EMI测量的概念概述。

图2显示了不带输入EMI滤波器的开关模式降压降压电源的典型EMI噪声图。最显著的EMI尖峰发生在电源的开关频率处，其次是谐波频率处的其他尖峰。图2显示了一个EMI图，其中这些尖峰的峰值超过了CISPR 22 EMI限值。为了满足标准，需要一个EMI滤波器来衰减差模EMI。

图2.不带输入EMI滤波器的开关模式降压电源的典型EMI曲线。

差模传导EMI滤波器

图3所示为开关模式电源输入侧的典型差模传导EMI噪声滤波器。在本例中，我们添加了一个简单的一阶低通 LfCf电源本地输入电容 C 之间的网络在（EMI噪声源侧）和输入源（LISN接收器侧）。这与标准EMI实验室测试设置相匹配，其中LISN网络插入滤波电容C上fLC滤波器的一侧。LISN电阻R2两端的差分信号由频谱分析仪测量，以量化DM传导EMI噪声。

图4显示了LC滤波器衰减增益曲线。在非常低的频率下，电感是低阻抗的，基本上短路，而电容器是高阻抗的，基本上是开路的。由此产生的LC滤波器增益为1 （0 dB），允许直流通过而不会衰减。随着频率的升高，在谐振频率L处出现增益尖峰fCf.当频率上升到谐振频率以上时，滤波器以–40 dB/十倍频程的速率衰减。在相对较高的频率下，滤波器增益越来越多地成为寄生元件的函数：即滤波电容的ESR和ESL以及滤波电感的并联电容。

由于该滤波器的衰减能力随频率迅速上升，因此前几次低频噪声谐波的幅度压倒性地决定了EMI滤波器的大小，其中电源开关频率的基波分量（f西 南部） 是最重要的目标。因此，我们可以专注于EMI滤波器的较低频率增益，以满足行业标准。

图3.差模EMI噪声滤波器（从节点B到节点A）。

图4.典型单LC EMI滤波器插入增益与频率的关系图

LTpowerCAD可以预测特定于电源的滤波器性能

LTpowerCAD是一款电源设计辅助工具，可在 analog.com/LTpowerCAD 免费下载。该程序旨在使工程师能够在几分钟内通过几个简单的步骤设计和优化完整的电源参数。

LTpowerCAD引导用户完成整个电源选择和设计过程，从用户的电源规格开始。从那里，LTpowerCAD缩小了合适解决方案的范围，然后帮助选择功率级组件，并优化电源效率、设计环路补偿和负载瞬态响应。

我们感兴趣的功能是LTpowerCAD的输入EMI滤波器设计工具，该工具使工程师能够快速估计差模传导EMI，并确定可能需要哪些滤波器组件来满足EMI标准。LTpowerCAD的滤波工具可以在构建和测试单个电路板之前产生逼真的结果，从而显著减少设计时间和成本。

LTpowerCAD中的EMI滤波器设计

概述

让我们看一个DM EMI滤波器设计示例。图5显示了LTpowerCAD原理图设计页面，其中显示了使用LTC3833降压转换器的电源的元件选择，该转换器采用12 V输入和5 V/10 A输出供电，开关频率为1 MHz，f西 南部.在设计EMI滤波器之前，通过选择开关频率、功率级电感器、电容器和FET来设计降压转换器。

图5.LTpowerCAD原理图设计页面和集成EMI工具图标。

选择功率级组件后，单击EMI设计图标以打开集成DM EMI滤波器工具窗口，如图6所示。EMI设计窗口显示详细的输入滤波器网络，LfCf，电源输入电容C之间国际投资银行/C公司和源 LISN。有可选的阻尼电路，例如网络C大/R大在 LISN 端，网络 C分贝/R分贝电源输入电容侧，可选阻尼电阻RfP穿过滤波电感器 Lf.估计的传导EMI噪声图和选定的EMI标准限值显示在图6的右侧。

图6.LTpowerCAD传导DM EMI滤波器设计窗口（Lf= 0，无过滤器）。

选择电磁干扰标准

在设计EMI滤波器时，您需要查看设计的目标，即EMI标准本身。LTpowerCAD包括CISPR 22（用于IT设备），CISPR 25（用于汽车设备）和MIL-STD-461G标准的内置绘图。只需从 EMI 规范下拉菜单中选择所需的标准即可。

例如，在图6中，滤波器电感值设置为0，以显示设计在没有输入滤波器的情况下的EMI结果。EMI在基波和谐波频率处出现尖峰，均超过显示的CISPR 25限值，导致EMI与规格原理图显示出现红色警告。

设置 EMI 滤波器参数

选择所需的 EMI 标准后，输入所需的 EMI 裕量 - 您希望所选标准限值与基波峰值之间的距离。3 dB至6 dB裕量通常是一个很好的起点。从这些选择中，对于给定的滤波电容，Cf和电源工作条件，程序计算建议的滤波电感值L sug.，显示在LTpowerCAD的黄色单元格中。在L电池中输入一个略大于建议值的电感值，以满足EMI限值和所需的裕量。

在本例中，图7显示了设计工具，建议使用0.669 μH滤波器电感，以及输入的0.72 μH电感以满足要求。通过比较带和不使用滤波器的结果，可以探索滤波器的优点。打开“显示无输入滤波器的EMI”选项，以查看叠加在灰色无滤波器图上方的滤波结果。

选择滤波电容C有一个重要的细节f.如果是具有X5R，X7R等介电材料的多层陶瓷电容器（MLCC），则其电容值会随着直流偏置电压而显着下降。因此，除了LTpowerCAD标称电容C（nom）之外，用户还应输入其在施加的直流偏置电压（V伊纳或 V国际投资银行).降额曲线可从电容器供应商的数据手册中找到。如果从LTpowerCAD库中选择MLCC电容器，则程序会自动估计其随直流偏置电压的降额。

输入滤波器电感器中会出现另一种元件变化，由于其与直流电的饱和，其可能具有非线性电感。随着负载电流的增加，电感值可能会明显下降，特别是对于铁氧体磁珠型电感器。用户应输入实际电感，以产生准确的EMI预测。

图7.选择滤波器电感值以满足EMI标准限值。

检查滤波器衰减增益

在图7中，输入滤波器的EMI曲线显示，由于LC输入滤波器谐振频率为245 kHz，频率低于电源开关频率，因此会出现噪声尖峰。图8显示了LTpowerCAD EMI窗口中滤波器衰减增益曲线代替EMI结果（单击滤波器衰减选项卡），显示了滤波器在245 kHz时的谐振衰减增益。

在某些情况下，LC谐振峰值可能导致超过EMI标准的尖峰。为了衰减这个谐振峰值，一对可选的阻尼组件C大和 R大可与滤波电容C并联添加f.除了显示衰减图外，LTpowerCAD还简化了这些组件的选择过程。一般来说，选择阻尼电容，C大，大约是实际滤波器 C 的两到四倍f价值。LTpowerCAD将建议使用阻尼电阻R大值来推动共振峰值。

图8.EMI滤波器衰减增益（在LISN侧有和没有阻尼）。

检查滤波器阻抗和电源输入阻抗

在开关模式电源前面添加输入EMI滤波器时，滤波器输出阻抗Z之，可与电源输入阻抗Z相互作用在，导致不希望的振荡。为了避免这种不稳定的情况，EMI滤波器输出阻抗的大小，Z之，应远低于电源输入阻抗的幅度，Z在,有足够的余量。图 9 显示了 Z 的概念之和 Z在以及它们之间的稳定性裕度。

为了简化问题，具有高反馈环路带宽的理想电源可以被视为恒定功率负载;即输入电压V在时间输入电流恒定。随着输入电压的增加，其输入电流减小。因此，理想的电源具有负输入阻抗Z在= –（V在2）/P在.

为了便于设计输入滤波器，LTpowerCAD显示滤波器输出阻抗Z之和电源输入阻抗 Z在在图10所示的阻抗图上。请注意，电源输入阻抗是输入电压和输入功率的函数。最坏的情况是阻抗的最低水平，发生在最小V处在和最大 P在条件。

如图10所示，EMI滤波器输出阻抗在滤波器电感L引起的谐振频率处有一个峰值点。f和电源输入电容器 C在.在好的设计中，该峰值的幅度应低于最差情况Z在，有足够的余量。如果需要降低此峰值电平，还有另一对可选的阻尼组件，电容器C分贝和电阻器 R分贝，与电源输入电容C并联在.这个 C在侧阻尼网络可有效降低Z外峰。建议的C分贝和 R分贝值由LTpowerCAD EMI工具提供。

图9.检查EMI滤波器输出阻抗和电源输入阻抗的稳定性。

图 10.LTpowerCAD EMI滤波器阻抗图（带和不带阻尼）。

LTpowerCAD EMI滤波器工具的精度

LTpowerCAD EMI滤波器工具的精度可以通过在实际电路板实验室EMI测试中运行LTpowerCAD设计来查看。图11显示了比较结果，其中使用改进的LTC3851降压电源演示板执行实际测试，该演示板以750 kHz的频率运行，输入电压为12 V，输出电压为1.5 V，负载电流为10 A。如图11所示，测试的EMI数据和LTpowerCAD建模的EMI数据与较低频率噪声峰值的匹配良好，而实际测试的峰值比建模的EMI峰值低几dB。

在较高频率噪声峰值处存在较大的失配，但这些失配的重要性较低，因为DM传导EMI滤波器尺寸主要由较低频率的噪声尖峰决定。这种差异部分是由于电感和电容寄生模型的精度，包括PCB布局寄生值;目前，精度超出了基于PC的设计工具所能达到的精度。

图 11.实际板实验室测量与 LTpowerCAD 估计的 EMI （12 V在至 1.5 V外/10 降压的例子）。

请注意，LTpowerCAD滤波器工具是一种估算工具，为EMI滤波器提供了初始设计点。没有什么可以取代原型电源板的真实实验室测试，以获得真正准确的EMI数据。

总结

许多行业正在使用需要越来越仔细地控制传输的电磁信号的系统。为此，有许多关于EMI的明确标准。与此同时，开关模式电源的数量也在增加，并且它们越来越靠近敏感电路。开关模式电源是强大的EMI源，因此在许多情况下必须量化和降低其噪声输出。问题是，EMI滤波器的设计和测试是一个耗时且昂贵的迭代过程。

LTpowerCAD使设计人员能够通过使用基于计算机的预测性设计工具排除实际设计和测试来节省时间和成本。其易于使用的EMI滤波器工具可预测差模传导EMI滤波器（包括可选的阻尼网络）的结果，以最大限度地降低EMI，同时保持稳定的电源。实验室测试结果验证了预测模型的准确性。

审核编辑：郭婷