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大师教你优化EMC滤波器
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2017-11-17
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几乎所有的电气设备中都会发现有开关电源的应用。通常要求开关电源的效率应尽可能高，空载下损耗应控制在毫瓦范围内。与之相反的要求则是：产品的综合成本应尽可能低。鉴于符合标准的产品才能进入市场，新技术的市场转化时间越来越重要。
EMC滤波器通常是产品优化方案中的重要组成部分。正确的EMC滤波器拓扑可以节省产品认证和优化电磁兼容性能的时间。此外，优化的EMC 滤波器可以降低产品的成本和体积。
下面列出的技术文章给出了能深入到EMC 滤波器设计领域的视角。我们将在这里说明为什么考虑滤波器元件的寄生参数是重要的，以及如何利用实用仿真方法加快设计进程。
一个产品的成功与否取决于它占领市场的速度。通常，产品认证是一个耗时的环节。如果产品没有通过认证，可能需要重新设计整个产品，因而会增加开发成本；产品延期进入市场也会造成更大的损失。
仔细观察电源的EMC 发射情况，可以发现电磁发射主要有两种形式：传导发射，其频段一般在数kHz 到30MHz 之间；辐射发射，其频段一般在30MHz 到数GHz。降低传导发射通常使用EMC 电源滤波器。EMC 电源滤波器（即开关电源中的滤波器）可能会占整个产品的重要部分。而开发阶段我们总是缺少时间，这成为开发阶段的一种“正常”情况，甚至在产品市场开发之 前，要求完成样品。
由于缺乏时间，提出的解决方案可能不是最优的。这必然导致滤波器的重新设计，产生不必要的成本——依据这种设计方法，产品的材料成本将高达整个产品价格的 15%。滤波器设计中经常使用的技术，是“试凑”的方法，也就是不停的更换滤波器元件，如电容和电感，将它们焊接在一起，直到测量的干扰在电磁兼容标准限 制内。使用这种方案，设计者通常也无法了解改变这些参数之后会有什么影响。
使用这种方法，最后终可获得一个解决方案，但它是我们所需要的最佳方案吗？
干扰类型：共模干扰或差模干扰
要优化EMC 滤波器设计，了解干扰的类型很重要。我们还应该了解在某一频段内哪一种类型的干扰占主导地位。我们可以将传导发射分为差模噪声（DM） 和共模噪声（CM）。差模噪声通常在1MHz 以下的低频段占主导地位。在开关电源中，差模噪声主要源于直流母线电容的等效串联电阻（ESR）两端的压降。电压降由纹波电流产生（例如有源功率因数校正 器产生的纹波电流）。共模干扰（CM） 通常在1MHz 到100MHz 之间占主导地位。在这个频段范围内，必须要考虑寄生参数和耦合路径。噪声类型对于EMC 滤波器的设计会产生重大影响。如果获知了干扰类型、寄生参数和耦合路径，我们就可以开始设计滤波器。
电容性的电抗器和电感性的电容器
为了抑制共模干扰和差模干扰，最常见的EMC滤波器结构是LC 型拓扑。正确选择电感非常重要。须考虑的要点之一就是共模电感（共模扼流圈）的频率特性。下面我们来设计一个LC 型滤波器。图1 给出了它的拓扑结构。
图1 LC型滤波器
图中的电容Cy 是Y 形联接的电容。这个电容形成一个返回至共模噪声源（ 开关电源的功率开关管对地） 的低阻抗路径。L-CMM 是共模电感，共模电感构建了共模电流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流电源线的电容，它与共模电感的漏感一起形成一个差模LC滤波器，用于抑制差模噪声。接下来的设计中，我们总是基于图1 所示的基本原理图来进行讨论。
图2 给出了一个10mH 共模电感的阻抗特性曲线，其中蓝色曲线表示10mH 电感的理想特性，红色则表示实际特性，谐振频率在200kHz。高于这个频率时共模电感就表现为电容特性！我们还可发现，共模电感漏感的谐振频率在 20MHz。如果我们确信1MHz 以上时是共模噪声起主要作用，我们就应该考虑电感的频率特性。
图2 10mH共模电感的阻抗特性
EMC滤波器通常是产品优化方案中的重要组成部分。正确的EMC滤波器拓扑可以节省产品认证和优化电磁兼容性能的时间。此外，优化的EMC 滤波器可以降低产品的成本和体积。
下面列出的技术文章给出了能深入到EMC 滤波器设计领域的视角。我们将在这里说明为什么考虑滤波器元件的寄生参数是重要的，以及如何利用实用仿真方法加快设计进程。
一个产品的成功与否取决于它占领市场的速度。通常，产品认证是一个耗时的环节。如果产品没有通过认证，可能需要重新设计整个产品，因而会增加开发成本；产品延期进入市场也会造成更大的损失。
仔细观察电源的EMC 发射情况，可以发现电磁发射主要有两种形式：传导发射，其频段一般在数kHz 到30MHz 之间；辐射发射，其频段一般在30MHz 到数GHz。降低传导发射通常使用EMC 电源滤波器。EMC 电源滤波器（即开关电源中的滤波器）可能会占整个产品的重要部分。而开发阶段我们总是缺少时间，这成为开发阶段的一种“正常”情况，甚至在产品市场开发之 前，要求完成样品。
由于缺乏时间，提出的解决方案可能不是最优的。这必然导致滤波器的重新设计，产生不必要的成本——依据这种设计方法，产品的材料成本将高达整个产品价格的 15%。滤波器设计中经常使用的技术，是“试凑”的方法，也就是不停的更换滤波器元件，如电容和电感，将它们焊接在一起，直到测量的干扰在电磁兼容标准限 制内。使用这种方案，设计者通常也无法了解改变这些参数之后会有什么影响。
使用这种方法，最后终可获得一个解决方案，但它是我们所需要的最佳方案吗？
干扰类型：共模干扰或差模干扰
要优化EMC 滤波器设计，了解干扰的类型很重要。我们还应该了解在某一频段内哪一种类型的干扰占主导地位。我们可以将传导发射分为差模噪声（DM） 和共模噪声（CM）。差模噪声通常在1MHz 以下的低频段占主导地位。在开关电源中，差模噪声主要源于直流母线电容的等效串联电阻（ESR）两端的压降。电压降由纹波电流产生（例如有源功率因数校正 器产生的纹波电流）。共模干扰（CM） 通常在1MHz 到100MHz 之间占主导地位。在这个频段范围内，必须要考虑寄生参数和耦合路径。噪声类型对于EMC 滤波器的设计会产生重大影响。如果获知了干扰类型、寄生参数和耦合路径，我们就可以开始设计滤波器。
电容性的电抗器和电感性的电容器
为了抑制共模干扰和差模干扰，最常见的EMC滤波器结构是LC 型拓扑。正确选择电感非常重要。须考虑的要点之一就是共模电感（共模扼流圈）的频率特性。下面我们来设计一个LC 型滤波器。图1 给出了它的拓扑结构。
图1 LC型滤波器
图中的电容Cy 是Y 形联接的电容。这个电容形成一个返回至共模噪声源（ 开关电源的功率开关管对地） 的低阻抗路径。L-CMM 是共模电感，共模电感构建了共模电流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流电源线的电容，它与共模电感的漏感一起形成一个差模LC滤波器，用于抑制差模噪声。接下来的设计中，我们总是基于图1 所示的基本原理图来进行讨论。
图2 给出了一个10mH 共模电感的阻抗特性曲线，其中蓝色曲线表示10mH 电感的理想特性，红色则表示实际特性，谐振频率在200kHz。高于这个频率时共模电感就表现为电容特性！我们还可发现，共模电感漏感的谐振频率在 20MHz。如果我们确信1MHz 以上时是共模噪声起主要作用，我们就应该考虑电感的频率特性。
图2 10mH共模电感的阻抗特性
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