電源EMI濾波器插入損耗的研究.doc

電源EMI濾波器插入損耗的研究(圖)從抗電磁干擾角度來(lái)說(shuō)，電源EMI濾波器實(shí)際是一個(gè)只允許直流和工頻通過(guò)的低通濾波器，即從零頻（直流）至截止頻率（工頻）的通帶內(nèi)以最小衰減通過(guò)電流（或電壓）。對(duì)電磁干擾的阻帶，要求盡可能高的衰減，過(guò)渡帶曲線盡可能陡（即過(guò)渡帶盡可能窄）。由于EMI濾波器衰減的定義與傳統(tǒng)濾波器不同，所以，傳統(tǒng)濾波器的各種傳遞函數(shù)表達(dá)式和現(xiàn)成的數(shù)據(jù)及圖表均不能直接用于EMI濾波器的設(shè)計(jì)。EMI濾波器的衰減用插入損耗來(lái)表示，本文將探討電源EMI濾波器插入損耗的計(jì)算，以及影響插入損耗的各種原因和改進(jìn)方法。EMI濾波器插入損耗的理論分析EMI濾波器插入損耗IL定義如下：IL=10log(P1/P2)=20log(U1/U2) (1)式中，P1和U1分別表示當(dāng)EMI濾波器未插入前（圖1（a），從噪聲源us傳遞到負(fù)載RL的功率和電壓；P2和U2分別表示當(dāng)EMI濾波器接入后（圖1(b)），從噪聲源傳遞到負(fù)載的功率和電壓。圖1 EMI濾波器接入前、后的電路理論分析EMI濾波器的IL時(shí)，把濾波器網(wǎng)絡(luò)用A參數(shù)來(lái)表示： (2)則可求得EMI濾波器的IL表達(dá)式為：IL=20log|(a11RL+a12+a21RSRL +a22RL)/(RS+RL)| (3) 圖2為高性能的EMI濾波器。其中，E表示共模信號(hào)輸入端。圖2中網(wǎng)絡(luò)的共模等效電路如圖3（a）所示，差模等效電路如圖3（b）所示。圖3（b）中Le1、Le2、Cxi，i=1，2，3，分別表示等效電感和電容。圖2 EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)圖3 圖2網(wǎng)絡(luò)的共模與差模等效電路由圖3（a）并根據(jù)式（4）可求得共模插入損耗為：ILCM=10lg|(RS+RL-2CyD12+2D22)|-20lg(RS+RL) (4)式中，D1=L1RL+L2RS；D2=L1+L2-2L1L2Cy+CyRSRL由圖3（b）同理可求得差模插入損耗為：ILDM= 10lg|(B12+B2+RSRLB3)|-20lg(RS+RL) (5)式中，B1=RL(1-2Cx2Le2)-2Cx2Le1(1-2Cx3Le2)+RS(1-2Cx2Le2)-2Cx1Le2-2Cx1Le1(1-2Cx2Le2)；B2=Le2+Le1(1-2Cx2Le2)；B3=Cx3+Cx2(1-2Cx3Le2)+Cx1(1-2Cx3Le2)3Cx1Cx3Le1-3Cx1Cx2Le1(1-2Cx3Le2)。影響插入損耗的各種原因1 RS與RL對(duì)插入損耗的影響及改進(jìn)方法一般設(shè)計(jì)時(shí)，令RS/RL=50/50，這有利于簡(jiǎn)化EMI濾波器的理論計(jì)算（把RS、RL看成常數(shù)而不是變量），但實(shí)際運(yùn)用RS/RL=50/50的概率很少。這顯然脫離了實(shí)際情況，其理論分析與實(shí)際插入損耗相差較大。因此，CISPR出版物4.2.2.2建議：除RS/RL=50/50測(cè)試方法外，另外補(bǔ)充RS/RL=0.1/100和RS/RL=100/0.1兩種極端情況的測(cè)試方法?？梢岳斫鉃閹椭脩袅私庠揈MI濾波器在兩種極端情況下，其插入損耗有效范圍是否滿足要求。2 分布參數(shù)對(duì)插入損耗的影響在低頻段，電感器和電容器的分布參數(shù)可忽略不計(jì)，但在較高的頻段工作時(shí)，它們的分布參數(shù)對(duì)IL的影響就會(huì)顯示出來(lái)。而電容器中的分布電感，元件與金屬外殼之間，元件與元件之間，印刷電路板布線等均存在分布參數(shù)。這些分布參數(shù)會(huì)加入電路運(yùn)算。解決元件分布參數(shù)對(duì)IL的影響有下列幾種方法：(1)選擇優(yōu)質(zhì)元件；（2）估計(jì)元件分布參數(shù)，建立EMI濾波器高頻等效模型，并把元件分布參數(shù)參加濾波器設(shè)計(jì)；（3）如果IL達(dá)不到要求，可以增加濾波器的級(jí)數(shù)；（4） 通過(guò)元件布局、印刷電路板設(shè)計(jì)有利于電磁兼容等方法來(lái)解決。3 電感材料性能對(duì)IL的影響在高頻段，電感器采用的納米晶體軟磁性材料的頻響不如猛鋅鐵氧體軟磁性材料的頻響。因此，在高頻段，電感器應(yīng)采用錳鋅鐵氧軟磁性材料，這有利于高頻段加大插入損耗，即提高濾波器對(duì)高次諧波的仰制效果。但是，由于納米晶體軟磁材料具有很高的導(dǎo)磁率（0可達(dá)到13.5萬(wàn),e可達(dá)到17.9萬(wàn)）和高飽和磁感特性，這些特性指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)越鐵氧體和鈷基晶體軟磁性材料，因此，采用納米晶體材料有利于低頻段的共模插入損耗，即減少通帶的插入損耗。4 RS、RL與EMI濾波器結(jié)構(gòu)的選擇關(guān)系由式（4）可知：IL與RS、RL有直接關(guān)系，即使EMI濾波器設(shè)計(jì)達(dá)到IL指標(biāo)，對(duì)于不同RS、RL，其結(jié)構(gòu)如果選擇不當(dāng)，也不能達(dá)到較好的濾波效果。因此，根據(jù)RS、RL的實(shí)際情況，選用EMI濾波器結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循下列兩點(diǎn)原則：（1）EMI濾波器的串聯(lián)電感要接到低阻抗源（RS?。┗虻妥杩关?fù)載（RL?。唬?）EMI濾波器的并聯(lián)電容要接到高阻抗源（RS大）或高阻抗負(fù)載（RL大）。只有這樣，EMI濾波器實(shí)際工作的IL與理論分析才能基本一致。改善插入損耗的方法當(dāng)EMI濾波器的設(shè)計(jì)完成后，或在實(shí)際應(yīng)用中IL部分頻段不達(dá)標(biāo)，或需要再改善IL的曲線，一般有下列幾種方法來(lái)改善插入損耗。1 切比雪夫修正系數(shù)法為了克服式（3）設(shè)計(jì)中的不足，引入切比雪夫修正系數(shù)M(),即式（3）減去20lgM(),可獲得修正后的插入損耗的改善切比雪夫修正系數(shù)為：M()=C0+C1+C22+C33+C44+C55+C66+C77+C88 (6)式中，C0=-22474.82；C1=56888.04；C2=-61886.31；C3=37902.16；C4=-14274.88；C5=3380.81；C6=-491.16；C7=39.97；C8=-1.39。2 頻段修正法當(dāng)電氣設(shè)備使用場(chǎng)合已確定時(shí)，該設(shè)備的EMI標(biāo)準(zhǔn)就得按使用場(chǎng)合所在行業(yè)的EMI標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，例如，某開(kāi)關(guān)電源用在信息行業(yè)，就可以使用信息行業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)來(lái)診斷，即引用GB9254(相當(dāng)于EN5502)A或B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生共模，差模干擾的特點(diǎn)，把頻率分為三段：0.150.5MHz以差模干擾為主；0.55MHz以差、共模干擾共存；530MHz以共模干擾為主。如果0.150.5MHz頻段不達(dá)標(biāo)，可以加強(qiáng)差模仰制，方法可以是增加CX的值，必要時(shí)要增加差模線圈；如果530MHz頻段不達(dá)標(biāo)，可以加強(qiáng)共模仰制，方法可以是增加Cy的值，必要時(shí)要增加共模的級(jí)數(shù)（由1級(jí)增至2級(jí)）。如果上述措施均告失效時(shí)，意味著EMI濾波器設(shè)計(jì)有深層次的問(wèn)題，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果與分析根據(jù)圖2電路，設(shè)計(jì)元件參數(shù)CX=470F，Cy=100F，L1=L2=80mH。當(dāng)電源內(nèi)阻RS和負(fù)載RL均為50時(shí)，差、共模插入損耗的理論計(jì)算與測(cè)試曲線如圖4所示。其中，A、B分別為共模插入損耗的理論計(jì)算曲線(ILCMI)和測(cè)試曲線(ILCMT)；C,D分別為差模插入損耗的理論計(jì)算曲線(ILDMI) 和測(cè)試曲線(ILDMT)。B曲線和A曲線在頻率為1MHz以前是一致的；B曲線在頻率為1MHz以后就偏離了A曲線，這是因?yàn)殡姼衅鞑捎眉{米晶體軟磁性材料造成的。D曲線和C曲線在頻率為0.1MHz以前是一致的；D曲線在頻率為0.1MHz以后就偏離了C曲線，這是因?yàn)樵植紖?shù)、各元件間分布參數(shù)對(duì)IL的影響和電感器采用納米晶體軟磁性材料等因素造成的。圖4 插入損耗的理論計(jì)算與測(cè)試曲線下面來(lái)檢驗(yàn)圖2所示網(wǎng)絡(luò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電流(電壓)諧波的抑制效果：未接入圖2所示網(wǎng)絡(luò)前，分別對(duì)某型號(hào)的29英寸彩電、17英寸彩顯中的開(kāi)關(guān)電源輸入端口電流和電壓的諧波進(jìn)行測(cè)量；接入圖2所示網(wǎng)絡(luò)后，等條件重復(fù)測(cè)量前種情況的各參數(shù)。測(cè)量條件是：首先對(duì)被測(cè)電子設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格屏蔽，防止臨近設(shè)備及環(huán)境對(duì)被測(cè)電子設(shè)備的EMI；線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路(LISN)輸入阻抗為50。在測(cè)量來(lái)自電氣設(shè)備傳導(dǎo)干擾時(shí)，必須在電網(wǎng)交流電源與待測(cè)設(shè)備之間接一個(gè)LISN。采用8793A型諧波分析儀測(cè)量電流諧波含量。具有代表性的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。表1中，THDi表示電流總諧波含量，THDv表示電壓的總諧波