电源设计—差模滤波原理

 

 

一 前言

电源基本是每个电子电路的核心部分之一，怎么做好一个电源的EMC设计，却是一个能困扰大部分硬件工程师很长时间的难题。一般的BUCK电路中，芯片的工作频率都会在几十KHz到几MHz，而这也是BUCK电路产生EMI问题的关键。（本文主要以BUCK电路为模型来分析差模滤波该怎么去设计！干货满满，请耐心看完，收获不浅）

 

二 差模滤波原理

能实现差模滤波的电路有很多，这里就以L式“π型滤波电路”为例进行分析；此差模电路为什么能实现滤波的原因：若L为1uH，（即10^-6）；C为1uF，则F约为159KHz。

串联滤波器件选择L是因为（XL=2πfL）电感通低频阻高频，BUCK电路的输入一般都是直流，频率较低，而BUCK电路自身的开关频率在整个频域上不是特别高，但是对于电感L来讲，是比较高的一个频率，能使得L在几十KHZ到几MHz下，呈现为一个高阻状态；反之，电容通高频阻低频，在这个频率范围下，电容会呈现一个低阻状态。

 

三 参数设计

因为此电路是一个低通滤波器，电感是串联器件，对于电流的大小比较敏感，而电感的通流能力越大，线径就需要越粗，因此在设计差模滤波电路的时候，建议先确定合适的L，再去计算合适的电容C。

这里计算LC的振荡频率的时候，不能直接让F=1/2π√LC等于BUCK电路的开关频率！一是因为振荡频率在这么高的频率不仅没有滤除原来的噪声，甚至滤波电路自身还会成为噪声源；二是因为我们测试频率是从几百KHz到几GHz，为了让滤波能力最大化，所以LC电路的频率需要“小于”电路的开关频率！

为了让电源输出的纹波比较稳定的同时，电源前端的LC滤波效果最大化，有关资料会推荐将LC的谐振频率取BUCK开关频率1/10来计算，因此计算L与C参数的时候，其计算公式与常规的算法上略有不同为“FLC=FSW/10=1/2π√LC”一般在此基础上，还对此滤波电路的滤波做加强，也就是在外围再加一对匹配电容，此电容为LC里的4倍容值大小（C11=4C1，C22=4C2）。

 

四 电路设计

前面描述了那么多，但是最关键的地方还是在PCB的Layout上面，布局不合理，有时候怎么调整都不会有明显的变化：

1.滤波不供地，左右电容的GND被迫分离，滤波效果不理想；

2.模块不紧凑，布局导致模块电路被迫分散，滤波效果不理想；

3.分地不彻底，后级GND绕过滤波电路回前级，滤波效果不理想；

想要让电源的EMI测试顺利，且测试数据漂亮，在Layout上不能少花时间。下图为一个实际测试，EMI效果良好的PCB布局，前端共模起抑制与隔离效果，因此共模底部与周边不可以放置铜皮；而差模滤波电路为例确保噪声的滤波效果最大化，放置GND的铜皮位置（也就是GND铺铜网络），选择在差模滤波后端，靠近电源芯片处，且前端布局不要让铜皮离滤波电路过近，这个位置的滤波电感最好选择屏蔽电感，可进一步优化滤波效果。

（此图为参考与推荐布局，实际布局还需自行根据结构、器件大小等其他因素来调整布局。）

 

五 实际案例

这是某个车载客户在测试VCE的时候，发现BUCK电路的400KHz频率超标，由于客户板内PCB没有差模滤波电路，所以飞了一个DEMO板来测试，最左侧数据是没有加措施的在75dB的位置；中间数据是加了一个8.2uH电感、左右各并一个2.2uF电容的测试数据，在58dB的位置；最右侧的数据是在上一个措施上再在左右两侧弥补一个10uF电容，在40dB的位置，测试得出的效果！

这是另一个车载客户在测试RE单极子天线的时候，发现测试BUCK电路的频率整体都比较高，这个电源芯片的工作频率也是400KHz，因为电源模块是客户外购的，电路部分当时不方便整改，也是在外围飞的DEMO板进行测试！

 

六 总结

电源EMI设计，这些滤波电路你在测试的时候，可以用不上或者用不着，但是不能没有，不然后期测试想调整的时候，没有位置也没有空间。此外，在考虑电源PCB布局的时候，一定要规划好电源的回路，不能给电源的回路过于开放，导致噪声路径不可控！

审核编辑：刘清