开关电源电磁兼容(EMC)滤波器设计（四）

pwm · 发表于 2007-9-17 22:49:25

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<div class="content">五、EMI 滤波器的设计步骤 　　EMI 滤波器之设计，首先必须获得滤波器所需提供的噪声衰减量，此可利用各种噪声分离器分別量测出待测物在未加任何滤波器元件下之共模和差模原始噪声。接着利用上述所得结果，计算出所需的滤波器元件值，然后将整个设计好的滤波器加在待测物电源输入的最前端，并量测检查此时的噪声是否符合规范。以下就滤波器设计之步骤一一详细作介绍。 　　1. 量测原始共模和差模噪声： 　　<img height="150" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a25.png" width="236" /> 　　　　　　　　　　　　　　　　Noise separator Spectrum analyzer 　　如图二十四所示为传导性EMI 噪声量测系统的架构，噪声由电源传输阻抗稳定网络(LISN)取出以后，经过噪声分离器(Noise separator)可得到想要的噪声值，便可以频谱分析仪(Spectrum analyzer)来进行量测。　　2. 计算衰减量 　　根据下列式子计算共模滤波器所需提供的噪声衰减量(VATT, CM)dB 及差模滤波器所需提供的噪声衰减量<img height="17" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a26.png" width="61" />。　　<img height="107" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a27.png" width="289" />　　其中<img height="15" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a28.png" width="50" />是指规范值，加上6dB 的主要目的是考虑当共模噪声和差模噪声被衰减至规范标准时，有可能发生相位相同或相位相差180o 而使得火线和中性线之总电压噪声大小超过规范的情況。为了避免这种情形发生，在计算衰减量时可先将标准严定于比规范限制小6dB 之处，亦即使噪声抑制之要求更为严格，以避免滤波后噪声大小仍会超过规范限制。　　3. 计算转折频率(Corner frequency) 　　将從步骤2 所得的共模和差模衰减量 <img height="16" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a29.png" width="60" />与 <img height="16" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a30.png" width="60" />，依其对应于频率的关系分別画在半对数纸上，橫轴单位为Hz纵轴单位为dBuV，如图二十五所示。以共模噪声为例，在对数图中作一條斜率为+40dB/dec 之斜线，将此斜线由规范之最低频率平行往右移动，使其与CM 衰减曲线相切于一点，而且CM衰减曲线完全位于此斜线的下方。此时该斜线会与橫轴相交于一点，此交点所对应之频率即为共模低通滤波器之转折频率 <img height="17" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a31.png" width="28" />。同理可求得差模低通滤波器之转折频率 <img height="13" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a32.png" width="28" />。　　<img height="161" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a33.png" width="222" />　　图25　　4. 计算滤波器元件值 　　滤波器元件之电感、电容值越大，則其对噪声之衰减能力越强，且可达到之 　　转折频率越低，对低频噪声之抑制效果越佳，但相对地必须付出成本、体积增加的代价。由材料特性可知，当电感、电容之值越大时，元件阻抗特性的自共振频率越低，可持续衰减噪声之频率范围相对变窄，因此其值不可无限制增大。考虑电容值对体积的变化率较电感值来得小，而且市售之电容器都有固定之容值，较缺乏弹性，所以在决定共模和差模滤波器的元件值时，我们将优先考虑电容，在安规限制许可下，尽量选用较大的容值。本文所采用的EMI 滤波器架构如图四所示，其中X 电容可滤除DM 噪声，而Y 电容可滤除CM 噪声。 　　a. 共模滤波器元件(共模电感(LC)、Y 电容(CY)) 　　由于Y 电容是跨接于电力线的两线和地线之间，基于漏电流的限制，Y 电容不能选用太大，以能合乎安规之最大值为主。选取CY 之值后，利用步骤3 所计算得到的共模转折频率fR,CM，可计算出所需共模电感之值如下： 　　<img height="55" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a34.png" width="183" />　　b. 差模滤波器元件（差模电感(LD)、X 电容(CX1 、CX2)） 　　Cx1 和Cx2 采用相同的元件值CDM，而此值可由fc, DM 与LD 求得： 　　<img height="52" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a35.png" width="260" /> 　　其中， <img height="14" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a36.png" width="28" />可由步骤3 求得，但 <img height="12" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a37.png" width="15" />和 <img height="16" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a38.png" width="24" />为未知数，因此对于元件值的决定，设计者有相当大的弹性空间可自行决定。若 <img height="14" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a39.png" width="25" />值取的越大，則<img height="15" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a40.png" width="23" />可取越小之值，反之亦然。但滤波器元件值的选用必须考量滤波器对电路本身所造成的影响，例如稳定性和工作性能等因素。 　　六、实验实例 　　以一部市售250W 半桥式电源（规格如表1）为例，设计一个EMI滤波器，使其符合VDE Class B 的规范，图二十六所示为利用差模反射网络（Differential mode rejection network，DMRN）作为噪声分离器的噪声量测系统所量测到未经滤波的CM 噪声频谱，图二十七为DM 噪声频谱，依据前一节的方法，计算出ＣＸ = 0.47μＦ、ＣＹ= 3300ｐＦ、ＬＣ＝3.38ｍＨ、ＬＤ＝18μＨ，利用这些元件值所设计的滤波器如图二十八所示，而经过此滤波器后所量测到的的CM 、DM 噪声频谱如图二十九和图三十所示，显示本文所提的方法可以有效滤除传导性EMI 的噪声干扰。 　　表1 市售250W 的半桥式电源供应器规格表 　　<img height="81" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a41.png" width="329" />　　<img height="144" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a42.png" width="438" /> 　　　　　图26未滤波的差模干扰频谱　　　　　　图27未滤波的共模干扰频谱　　<img height="128" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a43.png" width="243" />　　图 28 设计后的滤波器　　<img height="116" src="http://www.emcprima.com/pic/hybj-3-5-a44.png" width="379" />　　　　　图29 滤波后的差模频谱　　　　　图30 滤波后的共模频谱 </div>

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