传导EMI抑制-π型滤波器设计

1 传导电磁干扰简介

在开关电源中，开关管周期性的通断会产生周期性的电流突变（di/dt）和电压突变(dv/dt)，周期性的电流变化和电压变化则会导致电磁干扰的产生。

图1所示为Buck电路的电流变化，在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的。这些突变电流导致了电磁干扰的产生。

图 1 Buck电路中的电流变化

图2为Buck上管电流的频域分析图。电磁干扰出现在基波及其谐波频率处。这个噪声是开关电源特性所致，它的产生是无法避免的。因此需要π型滤波器对此干扰进行抑制。

图 2 Buck上管电流的频域分析

 

2 π型滤波器设计原理

图3为典型传导EMI测试架构， DUT为待测设备。LISN主要用测试中来隔离电网可能导致的高频干扰，从而使得EMI测量到DUT产生的真正EMI干扰。π型滤波器由滤波电感Lf，滤波电容Cf和阻尼电容Cd组成。Cin是DCDC的输入电容。π型滤波器是用来过滤DUT产生的EMI，以阻止DUT对电网的电磁干扰。

 

图 3 典型π型滤波器原理图

π型滤波器设计步骤如下。

1) 计算衰减倍数

在设计π型滤波器时，首先要确定衰减量|Att|_dB。如果已经测过没加π型滤波器的传导EMI，只需用基波处最大干扰值Vnoise减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax即可。

|Att|_dB=V_noise-V_max

如果未测过没加π型滤波器的传导EMI，可以通过以下公式对衰减量进行估算。以下公式通过对开关电流进行傅里叶分解，得到预估的基波干扰量，然后再减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax，得到预估衰减量。

|Att|_dB=20log⁡((I/(π^2fsC_IN)sin⁡πD)/1uV)-V_max

其中：

• Vmax是EMI标准允许的最大dBuV噪声；

• CIN是已有输入电容；

•  D是占空比；I是输出电流;

• fs是开关频率。

2) 选择滤波电感Lf感值

电感Lf取值通常在1uH到10uH之间。可以根据情况进行电感值的选取。如果用于大电流应用中，可选取小电感来减小损耗。

3) 计算滤波电容Cf容值

电容Cfa值用于确保EMI滤波器的谐振频率至少低于十分之一开关频率。Cfb值用于确保EMI滤波器有足够的衰减量。选取Cfa和Cfb中更大的值作为滤波电容Cf容值。

C_fa=C_IN/(C_INL_f〖(2πfs/10)〗^2-1)

C_fb=1/L_f(〖〖(10)〗^(|Att|_dB/40)/2πfs)〗^2

4) 计算阻尼电容Cd容值

滤波电感Lf和滤波电容Cf组成的LC滤波器对传导噪声进行有效的抑制。同时，滤波电感Lf和输入电容CIN也组成了一个LC滤波电路。这个LC滤波电路的输出阻抗（即π型滤波器在VIN点的阻抗）必须足够小，才能使π型滤波器不会明显影响开关电源的环路增益。LCR电路的Q值为L/C/R。要使π型滤波器对开关电源的环路增益尽可能小，则需增加阻尼电容Cd和ESRd来降低LC的Q值。图４展示了不同Cd值对应的增益曲线，从中可以看出增加Cd可以使Q值减小。图5展示了不同ESR值对应的增益曲线，从中可以看出ESR的增加可以使Q值减小。

图 4 LC滤波中电容Cd对Q值的影响

图 5 LC滤波中电容Cd的ESR取值对Q值的影响

对于Cd和ESRd值按照以下公式进行取值：

C_d≥4*C_IN

〖ESR〗_d=√(L_f/C_IN)

阻尼电容Cd一般建议使用有较大等效串联电阻（ESR）的电解电容。除上述原因之外，Cd的ESR可避免DCDC输入产生振荡。DCDC在输入电压增加的时候，输入电流是减小的，因此可以等效为负阻抗电路。一个负阻抗电路与LC滤波器是十分容易振荡的，因此需要Cd有一定的ESR来避免输入产生振荡。

3 π型滤波器应用实列分析

图6所示是芯洲科技SCT2450在车载导航产品上无π型滤波器的传导测试结果, 传导干扰超标主要在开关频率(fsw=850kHz)及其谐波频率处。由于传导EMI超标，需要使用π型滤波器进行优化。

图 6 无π型滤波器的传导测试结果

以下为π型滤波器计算步骤:

开关频率为850KHz，输入为12V，输出为5V,3A。输入电容为20uF。EN 55032在基波处的限制为45dBuV。已知量总结如下：

D=41.67%，fs=850KHz,CIN=20uF,I=3A,Vmax=45dBuV

1) 计算衰减倍数

由图6可知基波的干扰最大值为90dBuV。我们目标通过π型滤波器将干扰降为Vmax=45dBuV。因此衰减倍数为：

 

|Att|_dB=90dBuV-45dBuV=45dBuV

2) 选择滤波电感Lf感值

为减少电感带来效率损耗，选取Lf=1.5uH。

3) 计算滤波电容Cf容值

C_fa=C_IN/(C_INL_f〖(2πfs/10)〗^2-1)=2.64uF

C_fb=1/L_f(〖〖(10)〗^(|Att|_dB/40)/2πfs)〗^2=4.15uF

选取Cf=4.7uF.

4) 计算衰减电容Cd容值

Cd≥4*CIN=80uF;

〖ESR〗_d=√(L_f/C_IN)=0.273Ω

此处选用Cd=100uF，选用具有较大ESR的电解电容。

图7为使用上述参数的π型滤波器的仿真结果。可以看出在开关频率处，π型滤波器对干扰信号有高于40db的抑制效果。

 

图 7 π型滤波器增益曲线仿真

 图8为使用上述参数的π型滤波器的实际测试结果。可以看出π型滤波器对传导干扰有明显的改善效果。

图 8 加π型滤波器后的传导测试结果