【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，開關(guān)電源的設(shè)計被廣泛的應(yīng)用開來，也因此電磁泄漏和電磁輻射問題越來越嚴(yán)重。EMI濾波器在開關(guān)電源中作為關(guān)鍵的輔助器件，能夠抑制開關(guān)電源中的傳導(dǎo)干擾問題。
EMI濾波器又稱作電源線濾波器，安裝在電源線與設(shè)備之間，既能有效阻止外界的電磁干擾經(jīng)電源線進(jìn)入設(shè)備，又能阻擋設(shè)備自身工作中產(chǎn)生的電磁騷擾經(jīng)電源線進(jìn)入電網(wǎng)，所以EMI濾波器是電源抗干擾和干擾抑制設(shè)計中非常重要的器件。
電磁兼容性問題是衡量電子產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，日益成為電子產(chǎn)品設(shè)計中的關(guān)鍵項目。在電源系統(tǒng)設(shè)計過程中，引入電磁兼容性設(shè)計，可以提高電源系統(tǒng)的整體抗干擾能力，延長系統(tǒng)的使用壽命，確保使用的安全性。
EMC電源線傳導(dǎo)發(fā)射即CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射的，而通過CE102 10 kHz~10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗是當(dāng)前幾乎所有軍用供電設(shè)備需滿足的設(shè)計要求，EMI濾波器設(shè)計不當(dāng)，將直接導(dǎo)致電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)，設(shè)計失敗。
1 EMI 濾波器設(shè)計
傳導(dǎo)型的EMI 噪聲包括共模噪聲和差模噪聲兩種。共模噪聲存在于所有的交流相線和共模地之間，其產(chǎn)生來源被認(rèn)為是電氣回路之間絕緣電流以及電磁耦合等。差模噪聲存在于交流相線之間，產(chǎn)生來源是脈動電流，開關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)電流。所以在進(jìn)行EMI濾波器設(shè)計時，以濾除共模噪聲和差模噪聲為目標(biāo)開展設(shè)計。
本文設(shè)計了一個LC 濾波器作為EMI濾波器，其原理框圖如圖1虛線框中所示，圖中負(fù)載為一高速開關(guān)電路。電路中L1和L2為共模電感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1為濾波電容，L1，和L2，被設(shè)計用來抑制共模干擾，但由于實際電感在生產(chǎn)時的不對稱，其對差模干擾也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并聯(lián)在電源正負(fù)線兩端，主要用來抑制差模干擾，而CY1 和CY2 分別從負(fù)、正電源線引出到共模地，主要用來抑制共模干擾。
圖1：EMI濾波器原理框圖
共模電感值的選取與負(fù)載情況有關(guān)，即電感值與其通過的額定電流有關(guān)，關(guān)系如表1所示。
[page]
2 EMC試驗情況
依據(jù)GJB152A CE102 試驗方法，測試鏈路圖如圖2所示。
圖2：CE102測量配置圖
圖中EUT 為被測設(shè)備，在以下兩種條件下開展CE102測試：測試條件一：不加EMI濾波器，開關(guān)電路負(fù)載情況下的測試；
測試條件二：添加所設(shè)計EMI濾波器，開關(guān)電路負(fù)載情況下的測試。
測試條件一和測試條件二的正線傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果圖如圖3、圖4所示。
圖3：測試條件一CE102正線傳導(dǎo)騷擾圖
圖4：測試條件二正線傳導(dǎo)騷擾圖
由測試圖可見，添加所設(shè)計濾波器后，超標(biāo)頻點(diǎn)傳導(dǎo)騷擾雖然得到抑制，但依舊超標(biāo)，無法通過試驗。通過掃描回線傳導(dǎo)騷擾發(fā)現(xiàn)，回線傳導(dǎo)騷擾與正線在相同頻點(diǎn)處超標(biāo)，且幅值相差不大，從而可判斷干擾為共模干擾，說明該濾波器在設(shè)計應(yīng)用后，共模干擾沒有得到有效濾除。[page]
3 設(shè)計整改
在該EMI 濾波器設(shè)計時，CY1 和CY2 分別從負(fù)、正電源線引出到共模地，即將共模干擾信號引導(dǎo)入共模地來消除共模干擾，可見共模地的設(shè)計很關(guān)鍵，而共模地的設(shè)計主要體現(xiàn)在PCB設(shè)計上。在PCB設(shè)計時，Y電容共模地覆銅面積僅在表層鋪設(shè)且面積不大，如圖5 所示（虛線框為實際共模地覆銅面積），這極有可能是造成EMI濾波器沒有完全濾除開關(guān)電源的共模噪聲的原因所在。
對PCB進(jìn)行更改，增大共模地鋪銅面積，在多層敷設(shè)共模地網(wǎng)絡(luò)（該板為6層板），并且將共模地的鋪銅面積覆蓋DC-DC 模塊下面，設(shè)計如圖6 所示重新制板生產(chǎn)。
按照上文所述辦法重新進(jìn)行CE102試驗，測試結(jié)果圖（正線）如圖7所示，回線情況與正線情況類似。
圖5：EMI濾波器共模地布局情況
圖6：整改后的EMI濾波器共模地布局情況
圖7：整改后的正線傳導(dǎo)騷擾圖
可見，經(jīng)重新PCB布局后，濾波器成功將共模噪聲抑制并滿足測試要求，說明在PCB設(shè)計時共模地設(shè)計對EMI濾波器的設(shè)計成功至關(guān)重要。EMI濾波器可有效濾除開關(guān)電源的共模噪聲和差模噪聲，在開關(guān)電源的設(shè)計中，越來越受關(guān)注。一個原理正確的EMI濾波器設(shè)計，在實際工程應(yīng)用中，會由于PCB設(shè)計不當(dāng)，造成濾波器失效。本文通過CE102實驗驗證，證明了共模地的PCB設(shè)計在EMI濾波器設(shè)計中至關(guān)重要，同時證明了本文設(shè)計的EMI濾波器的有效性。
相關(guān)閱讀：
悉數(shù)處理手機(jī)系統(tǒng)ESD和EMI干擾的經(jīng)典方法
陶老師親授：學(xué)習(xí)EMI/EMC設(shè)計從何入手？
車載以太網(wǎng)面向汽車設(shè)計并實現(xiàn)EMI與EMC的挑戰(zhàn)
