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隨著開關電源的迅速發展和廣泛應用，它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關電源的輔助器件，可以有效地抑制開關電源中的傳導干擾。 EMI濾波器又稱作電源線濾波器，安裝在電源線與設備之間，既能有效阻止外界的電磁干擾經電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產生的電磁騷擾經電源線進入電網，所以EMI濾波器是電源抗干擾和干擾抑制設計中非常重要的器件。 電磁兼容性問題是衡量電子產品質量的一個重要指標，日益成為電子產品設計中的關鍵項目。在電源系統設計過程中，引入電磁兼容性設計，可以提高電源系統的整體抗干擾能力，延長系統的使用壽命，確保使用的安全性。 EMC電源線傳導發射即CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導發射的，而通過CE102 10 kHz~10 MHz電源線傳導發射試驗是當前幾乎所有軍用供電設備需滿足的設計要求，EMI濾波器設計不當，將直接導致電源線傳導發射超標，設計失敗。 請參閱：更多電源管理、數據轉換、RF和無線設計方案。 1 EMI 濾波器設計 傳導型的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，其產生來源被認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，產生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復電流。所以在進行EMI濾波器設計時，以濾除共模噪聲和差模噪聲為目標開展設計。 本文設計了一個LC 濾波器作為EMI濾波器，其原理框圖如圖1虛線框中所示，圖中負載為一高速開關電路。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，被設計用來抑制共模干擾，但由于實際電感在生產時的不對稱，其對差模干擾也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并聯在電源正負線兩端，主要用來抑制差模干擾，而CY1 和CY2 分別從負、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載情況有關，即電感值與其通過的額定電流有關，關系如表1所示。 LC濾波器的3 dB截止頻率為： 對于共模等效電路，濾波器相當于一個LCL 濾波器，對于差模等效電路，濾波器相當于一個CL′CL′C′濾波器，均可通過公式（1）計算得出所需電容值，差模等效電路中，由于L′值為共模電感生產不精確引入的，值較小，計算時可忽略不計。 2 EMC試驗情況 依據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，開關電路負載情況下的測試； 測試條件二：添加所設計EMI濾波器，開關電路負載情況下的測試。 測試條件一和測試條件二的正線傳導騷擾測試結果圖如圖3、圖4所示。 圖3 測試條件一CE102正線傳導騷擾圖 圖4 測試條件二正線傳導騷擾圖 由測試圖可見，添加所設計濾波器后，超標頻點傳導騷擾雖然得到抑制，但依舊超標，無法通過試驗。通過掃描回線傳導騷擾發現，回線傳導騷擾與正線在相同頻點處超標，且幅值相差不大，從而可判斷干擾為共模干擾，說明該濾波器在設計應用后，共模干擾沒有得到有效濾除。 3 設計整改 在該EMI 濾波器設計時，CY1 和CY2 分別從負、正電源線引出到共模地，即將共模干擾信號引導入共模地來消除共模干擾，可見共模地的設計很關鍵，而共模地的設計主要體現在PCB設計上。在PCB設計時，Y電容共模地覆銅面積僅在表層鋪設且面積不大，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電源的共模噪聲的原因所在。 對PCB進行更改，增大共模地鋪銅面積，在多層敷設共模地網絡（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，設計如圖6 所示重新制板生產。 按照上文所述辦法重新進行CE102試驗，測試結果圖（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 整改后的正線傳導騷擾圖 可見，經重新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設計時共模地設計對EMI濾波器的設計成功至關重要。 4 結語 EMI濾波器可有效濾除開關電源的共模噪聲和差模噪聲，在開關電源的設計中，越來越受關注。一個原理正確的EMI濾波器設計，在實際工程應用中，會由于PCB設計不當，造成濾波器失效。本文通過CE102實驗驗證，證明了共模地的PCB設計在EMI濾波器設計中至關重要，同時證明了本文設計的EMI濾波器的有效性。 |
