随着开关电源的迅速发展和广泛应用,它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件,可以有效地抑制开关电源中的传导干扰。 EMI滤波器又称作电源线滤波器,安装在电源线与设备之间,既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备,又能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网,所以EMI滤波器是电源抗干扰和干扰抑制设计中非常重要的器件。
传导型的EMI 噪声包括共模噪声和差模噪声两种。共模噪声存在于所有的交流相线和共模地之间,其产生来源被认为是电气回路之间绝缘电流以及电磁耦合等。差模噪声存在于交流相线之间,产生来源是脉动电流,开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复电流。所以在进行EMI滤波器设计时,以滤除共模噪声和差模噪声为目标开展设计。 本文设计了一个LC 滤波器作为EMI滤波器,其原理框图如图1虚线框中所示,图中负载为一高速开关电路。电路中L1和L2为共模电感,CX1,CX2,CX3,CY1,和CY1为滤波电容,L1,和L2,被设计用来抑制共模干扰,但由于实际电感在生产时的不对称,其对差模干扰也有一定的抑制作用,CX1,CX2和CX3并联在电源正负线两端,主要用来抑制差模干扰,而CY1 和CY2 分别从负、正电源线引出到共模地,主要用来抑制共模干扰。
共模电感值的选取与负载情况有关,即电感值与其通过的额定电流有关,关系如表1所示。 LC滤波器的3 dB截止频率为:
依据GJB152A CE102 试验方法,测试链路图如图2所示。
图中EUT 为被测设备,在以下两种条件下开展CE102测试: 测试条件一:不加EMI滤波器,开关电路负载情况下的测试; 测试条件二:添加所设计EMI滤波器,开关电路负载情况下的测试。 测试条件一和测试条件二的正线传导骚扰测试结果图如图3、图4所示。
由测试图可见,添加所设计滤波器后,超标频点传导骚扰虽然得到抑制,但依旧超标,无法通过试验。通过扫描回线传导骚扰发现,回线传导骚扰与正线在相同频点处超标,且幅值相差不大,从而可判断干扰为共模干扰,说明该滤波器在设计应用后,共模干扰没有得到有效滤除。 在该EMI 滤波器设计时,CY1 和CY2 分别从负、正电源线引出到共模地,即将共模干扰信号引导入共模地来消除共模干扰,可见共模地的设计很关键,而共模地的设计主要体现在PCB设计上。在PCB设计时,Y电容共模地覆铜面积仅在表层铺设且面积不大,如图5 所示(虚线框为实际共模地覆铜面积),这极有可能是造成EMI滤波器没有完全滤除开关电源的共模噪声的原因所在。 对PCB进行更改,增大共模地铺铜面积,在多层敷设共模地网络(该板为6层板),并且将共模地的铺铜面积覆盖DC-DC 模块下面,设计如图6 所示重新制板生产。 按照上文所述办法重新进行CE102试验,测试结果图(正线)如图7所示,回线情况与正线情况类似。
可见,经重新PCB布局后,滤波器成功将共模噪声抑制并满足测试要求,说明在PCB设计时共模地设计对EMI滤波器的设计成功至关重要。 结语 EMI滤波器可有效滤除开关电源的共模噪声和差模噪声,在开关电源的设计中,越来越受关注。一个原理正确的EMI滤波器设计,在实际工程应用中,会由于PCB设计不当,造成滤波器失效。本文通过CE102实验验证,证明了共模地的PCB设计在EMI滤波器设计中至关重要,同时证明了本文设计的EMI滤波器的有效性。
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