加快開關(guān)模式電源EMI濾波器的設(shè)計

作者：Henry Zhang and Sam Young

開關(guān)模式電源用于整個現(xiàn)代電子系統(tǒng)，主要是因為它們具有高效率的電源轉(zhuǎn)換。開關(guān)模式電源激增的一個副作用是它們產(chǎn)生的噪聲。這通常被稱為電磁干擾 （EMI）、EMI 噪聲或只是噪聲。例如，典型降壓轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)開關(guān)電流是富含諧波成分的脈動電流。功率晶體管的快速導(dǎo)通和關(guān)斷會導(dǎo)致電流突然中斷，導(dǎo)致高頻電壓振鈴和尖峰。

問題在于高頻噪聲會耦合到系統(tǒng)中的其他器件，從而降低敏感的模擬或數(shù)字信號電路的性能。正因為如此，出現(xiàn)了許多標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定可接受的EMI限制。為了滿足開關(guān)模式電源的這些限制，必須首先量化其EMI性能，并在必要時添加適當(dāng)?shù)妮斎隕MI濾波以衰減EMI。不幸的是，EMI分析和濾波器設(shè)計可能是一項艱巨的任務(wù)，通常需要一個耗時的設(shè)計、構(gòu)建、測試和重新設(shè)計的迭代過程，也就是說，假設(shè)有合適的測試設(shè)備。為了加快EMI濾波器設(shè)計過程以滿足EMI規(guī)范，本文將介紹如何使用ADI公司的LTpowerCAD程序輕松估算和預(yù)構(gòu)建傳導(dǎo)EMI噪聲分析和濾波器設(shè)計。?

不同類型的EMI：輻射和傳導(dǎo)噪聲、共模和差模

EMI有兩種主要類型：輻射和傳導(dǎo)。在開關(guān)模式電源中，輻射EMI通常由開關(guān)節(jié)點上的高dv/dt噪聲產(chǎn)生。輻射發(fā)射的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常涵蓋 30 MHz 至 1 GHz 的頻段。在這些頻率下，開關(guān)穩(wěn)壓器的輻射EMI主要由開關(guān)電壓振鈴和尖峰產(chǎn)生，并且在很大程度上取決于PCB板布局。除了良好布局實踐中固有的內(nèi)容外，幾乎不可能精確預(yù)測開關(guān)模式電源將在“紙上”傳輸多少輻射EMI。人們必須簡單地構(gòu)建電路板，并在設(shè)計足夠好的EMI實驗室中測量其EMI，以量化其輻射噪聲水平。

傳導(dǎo)EMI是由開關(guān)穩(wěn)壓器傳導(dǎo)輸入電流的快速變化引起的，包括共模（CM）和差模（DM）噪聲。傳導(dǎo)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)限制通常涵蓋比輻射發(fā)射更低的頻率范圍，即從150 kHz到30 MHz。 圖1顯示了DC-DC電源（EMI實驗室中的DUT）共模和差模噪聲的通用導(dǎo)通路徑。

為了量化傳導(dǎo)輸入EMI，在穩(wěn)壓器的輸入端放置了一個線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN），提供標(biāo)準(zhǔn)輸入源阻抗。測量每條輸入線和接地之間的CM傳導(dǎo)噪聲。CM噪聲在高dv/dt開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生，通過器件的寄生PCB電容C耦合P，接地，然后行進電源輸入 LISN。與輻射EMI一樣，高頻開關(guān)節(jié)點振鈴和寄生電容無法在紙質(zhì)設(shè)計中輕松準(zhǔn)確地建模。

DM噪聲在兩條輸入線之間以差分方式測量。DM傳導(dǎo)噪聲產(chǎn)生于開關(guān)模式電源的高di/dt、脈動輸入電流。幸運的是，與其他EMI類型不同，輸入電容和LISN電路產(chǎn)生的脈動輸入電流和產(chǎn)生的相對低頻EMI可以通過LTpowerCAD等軟件以可接受的精度進行預(yù)測。

圖1.基于LISN的開關(guān)模式電源差模和共模傳導(dǎo)EMI測量的概念概述。

圖2顯示了不帶輸入EMI濾波器的開關(guān)模式降壓降壓電源的典型EMI噪聲圖。最顯著的EMI尖峰發(fā)生在電源的開關(guān)頻率處，其次是諧波頻率處的其他尖峰。圖2顯示了一個EMI圖，其中這些尖峰的峰值超過了CISPR 22 EMI限值。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)，需要一個EMI濾波器來衰減差模EMI。

圖2.不帶輸入EMI濾波器的開關(guān)模式降壓電源的典型EMI曲線。

差模傳導(dǎo)EMI濾波器

圖3所示為開關(guān)模式電源輸入側(cè)的典型差模傳導(dǎo)EMI噪聲濾波器。在本例中，我們添加了一個簡單的一階低通 LfCf電源本地輸入電容 C 之間的網(wǎng)絡(luò)在（EMI噪聲源側(cè)）和輸入源（LISN接收器側(cè)）。這與標(biāo)準(zhǔn)EMI實驗室測試設(shè)置相匹配，其中LISN網(wǎng)絡(luò)插入濾波電容C上fLC濾波器的一側(cè)。LISN電阻R2兩端的差分信號由頻譜分析儀測量，以量化DM傳導(dǎo)EMI噪聲。

圖4顯示了LC濾波器衰減增益曲線。在非常低的頻率下，電感是低阻抗的，基本上短路，而電容器是高阻抗的，基本上是開路的。由此產(chǎn)生的LC濾波器增益為1 （0 dB），允許直流通過而不會衰減。隨著頻率的升高，在諧振頻率L處出現(xiàn)增益尖峰fCf.當(dāng)頻率上升到諧振頻率以上時，濾波器以–40 dB/十倍頻程的速率衰減。在相對較高的頻率下，濾波器增益越來越多地成為寄生元件的函數(shù)：即濾波電容的ESR和ESL以及濾波電感的并聯(lián)電容。

由于該濾波器的衰減能力隨頻率迅速上升，因此前幾次低頻噪聲諧波的幅度壓倒性地決定了EMI濾波器的大小，其中電源開關(guān)頻率的基波分量（f西 南部） 是最重要的目標(biāo)。因此，我們可以專注于EMI濾波器的較低頻率增益，以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3.差模EMI噪聲濾波器（從節(jié)點B到節(jié)點A）。

圖4.典型單LC EMI濾波器插入增益與頻率的關(guān)系圖

LTpowerCAD可以預(yù)測特定于電源的濾波器性能

LTpowerCAD是一款電源設(shè)計輔助工具，可在 analog.com/LTpowerCAD 免費下載。該程序旨在使工程師能夠在幾分鐘內(nèi)通過幾個簡單的步驟設(shè)計和優(yōu)化完整的電源參數(shù)。

LTpowerCAD引導(dǎo)用戶完成整個電源選擇和設(shè)計過程，從用戶的電源規(guī)格開始。從那里，LTpowerCAD縮小了合適解決方案的范圍，然后幫助選擇功率級組件，并優(yōu)化電源效率、設(shè)計環(huán)路補償和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

我們感興趣的功能是LTpowerCAD的輸入EMI濾波器設(shè)計工具，該工具使工程師能夠快速估計差模傳導(dǎo)EMI，并確定可能需要哪些濾波器組件來滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。LTpowerCAD的濾波工具可以在構(gòu)建和測試單個電路板之前產(chǎn)生逼真的結(jié)果，從而顯著減少設(shè)計時間和成本。

LTpowerCAD中的EMI濾波器設(shè)計

概述

讓我們看一個DM EMI濾波器設(shè)計示例。圖5顯示了LTpowerCAD原理圖設(shè)計頁面，其中顯示了使用LTC3833降壓轉(zhuǎn)換器的電源的元件選擇，該轉(zhuǎn)換器采用12 V輸入和5 V/10 A輸出供電，開關(guān)頻率為1 MHz，f西 南部.在設(shè)計EMI濾波器之前，通過選擇開關(guān)頻率、功率級電感器、電容器和FET來設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器。

圖5.LTpowerCAD原理圖設(shè)計頁面和集成EMI工具圖標(biāo)。

選擇功率級組件后，單擊EMI設(shè)計圖標(biāo)以打開集成DM EMI濾波器工具窗口，如圖6所示。EMI設(shè)計窗口顯示詳細(xì)的輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)，LfCf，電源輸入電容C之間國際投資銀行/C公司和源 LISN。有可選的阻尼電路，例如網(wǎng)絡(luò)C大/R大在 LISN 端，網(wǎng)絡(luò) C分貝/R分貝電源輸入電容側(cè)，可選阻尼電阻RfP穿過濾波電感器 Lf.估計的傳導(dǎo)EMI噪聲圖和選定的EMI標(biāo)準(zhǔn)限值顯示在圖6的右側(cè)。

圖6.LTpowerCAD傳導(dǎo)DM EMI濾波器設(shè)計窗口（Lf= 0，無過濾器）。

選擇電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計EMI濾波器時，您需要查看設(shè)計的目標(biāo)，即EMI標(biāo)準(zhǔn)本身。LTpowerCAD包括CISPR 22（用于IT設(shè)備），CISPR 25（用于汽車設(shè)備）和MIL-STD-461G標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置繪圖。只需從 EMI 規(guī)范下拉菜單中選擇所需的標(biāo)準(zhǔn)即可。

例如，在圖6中，濾波器電感值設(shè)置為0，以顯示設(shè)計在沒有輸入濾波器的情況下的EMI結(jié)果。EMI在基波和諧波頻率處出現(xiàn)尖峰，均超過顯示的CISPR 25限值，導(dǎo)致EMI與規(guī)格原理圖顯示出現(xiàn)紅色警告。

設(shè)置 EMI 濾波器參數(shù)

選擇所需的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)后，輸入所需的 EMI 裕量 - 您希望所選標(biāo)準(zhǔn)限值與基波峰值之間的距離。3 dB至6 dB裕量通常是一個很好的起點。從這些選擇中，對于給定的濾波電容，Cf和電源工作條件，程序計算建議的濾波電感值L sug.，顯示在LTpowerCAD的黃色單元格中。在L電池中輸入一個略大于建議值的電感值，以滿足EMI限值和所需的裕量。

在本例中，圖7顯示了設(shè)計工具，建議使用0.669 μH濾波器電感，以及輸入的0.72 μH電感以滿足要求。通過比較帶和不使用濾波器的結(jié)果，可以探索濾波器的優(yōu)點。打開“顯示無輸入濾波器的EMI”選項，以查看疊加在灰色無濾波器圖上方的濾波結(jié)果。

選擇濾波電容C有一個重要的細(xì)節(jié)f.如果是具有X5R，X7R等介電材料的多層陶瓷電容器（MLCC），則其電容值會隨著直流偏置電壓而顯著下降。因此，除了LTpowerCAD標(biāo)稱電容C（nom）之外，用戶還應(yīng)輸入其在施加的直流偏置電壓（V伊納或 V國際投資銀行).降額曲線可從電容器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊中找到。如果從LTpowerCAD庫中選擇MLCC電容器，則程序會自動估計其隨直流偏置電壓的降額。

輸入濾波器電感器中會出現(xiàn)另一種元件變化，由于其與直流電的飽和，其可能具有非線性電感。隨著負(fù)載電流的增加，電感值可能會明顯下降，特別是對于鐵氧體磁珠型電感器。用戶應(yīng)輸入實際電感，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的EMI預(yù)測。

圖7.選擇濾波器電感值以滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)限值。

檢查濾波器衰減增益

在圖7中，輸入濾波器的EMI曲線顯示，由于LC輸入濾波器諧振頻率為245 kHz，頻率低于電源開關(guān)頻率，因此會出現(xiàn)噪聲尖峰。圖8顯示了LTpowerCAD EMI窗口中濾波器衰減增益曲線代替EMI結(jié)果（單擊濾波器衰減選項卡），顯示了濾波器在245 kHz時的諧振衰減增益。

在某些情況下，LC諧振峰值可能導(dǎo)致超過EMI標(biāo)準(zhǔn)的尖峰。為了衰減這個諧振峰值，一對可選的阻尼組件C大和 R大可與濾波電容C并聯(lián)添加f.除了顯示衰減圖外，LTpowerCAD還簡化了這些組件的選擇過程。一般來說，選擇阻尼電容，C大，大約是實際濾波器 C 的兩到四倍f價值。LTpowerCAD將建議使用阻尼電阻R大值來推動共振峰值。

圖8.EMI濾波器衰減增益（在LISN側(cè)有和沒有阻尼）。

檢查濾波器阻抗和電源輸入阻抗

在開關(guān)模式電源前面添加輸入EMI濾波器時，濾波器輸出阻抗Z之，可與電源輸入阻抗Z相互作用在，導(dǎo)致不希望的振蕩。為了避免這種不穩(wěn)定的情況，EMI濾波器輸出阻抗的大小，Z之，應(yīng)遠(yuǎn)低于電源輸入阻抗的幅度，Z在,有足夠的余量。圖 9 顯示了 Z 的概念之和 Z在以及它們之間的穩(wěn)定性裕度。

為了簡化問題，具有高反饋環(huán)路帶寬的理想電源可以被視為恒定功率負(fù)載;即輸入電壓V在時間輸入電流恒定。隨著輸入電壓的增加，其輸入電流減小。因此，理想的電源具有負(fù)輸入阻抗Z在= –（V在2）/P在.

為了便于設(shè)計輸入濾波器，LTpowerCAD顯示濾波器輸出阻抗Z之和電源輸入阻抗 Z在在圖10所示的阻抗圖上。請注意，電源輸入阻抗是輸入電壓和輸入功率的函數(shù)。最壞的情況是阻抗的最低水平，發(fā)生在最小V處在和最大 P在條件。

如圖10所示，EMI濾波器輸出阻抗在濾波器電感L引起的諧振頻率處有一個峰值點。f和電源輸入電容器 C在.在好的設(shè)計中，該峰值的幅度應(yīng)低于最差情況Z在，有足夠的余量。如果需要降低此峰值電平，還有另一對可選的阻尼組件，電容器C分貝和電阻器 R分貝，與電源輸入電容C并聯(lián)在.這個 C在側(cè)阻尼網(wǎng)絡(luò)可有效降低Z外峰。建議的C分貝和 R分貝值由LTpowerCAD EMI工具提供。

圖9.檢查EMI濾波器輸出阻抗和電源輸入阻抗的穩(wěn)定性。

圖 10.LTpowerCAD EMI濾波器阻抗圖（帶和不帶阻尼）。

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度可以通過在實際電路板實驗室EMI測試中運行LTpowerCAD設(shè)計來查看。圖11顯示了比較結(jié)果，其中使用改進的LTC3851降壓電源演示板執(zhí)行實際測試，該演示板以750 kHz的頻率運行，輸入電壓為12 V，輸出電壓為1.5 V，負(fù)載電流為10 A。如圖11所示，測試的EMI數(shù)據(jù)和LTpowerCAD建模的EMI數(shù)據(jù)與較低頻率噪聲峰值的匹配良好，而實際測試的峰值比建模的EMI峰值低幾dB。

在較高頻率噪聲峰值處存在較大的失配，但這些失配的重要性較低，因為DM傳導(dǎo)EMI濾波器尺寸主要由較低頻率的噪聲尖峰決定。這種差異部分是由于電感和電容寄生模型的精度，包括PCB布局寄生值;目前，精度超出了基于PC的設(shè)計工具所能達到的精度。

圖 11.實際板實驗室測量與 LTpowerCAD 估計的 EMI （12 V在至 1.5 V外/10 降壓的例子）。

請注意，LTpowerCAD濾波器工具是一種估算工具，為EMI濾波器提供了初始設(shè)計點。沒有什么可以取代原型電源板的真實實驗室測試，以獲得真正準(zhǔn)確的EMI數(shù)據(jù)。

總結(jié)

許多行業(yè)正在使用需要越來越仔細(xì)地控制傳輸?shù)碾姶判盘柕南到y(tǒng)。為此，有許多關(guān)于EMI的明確標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，開關(guān)模式電源的數(shù)量也在增加，并且它們越來越靠近敏感電路。開關(guān)模式電源是強大的EMI源，因此在許多情況下必須量化和降低其噪聲輸出。問題是，EMI濾波器的設(shè)計和測試是一個耗時且昂貴的迭代過程。

LTpowerCAD使設(shè)計人員能夠通過使用基于計算機的預(yù)測性設(shè)計工具排除實際設(shè)計和測試來節(jié)省時間和成本。其易于使用的EMI濾波器工具可預(yù)測差模傳導(dǎo)EMI濾波器（包括可選的阻尼網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)果，以最大限度地降低EMI，同時保持穩(wěn)定的電源。實驗室測試結(jié)果驗證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

審核編輯：郭婷