工业及汽车系统的低EMI电源变换器设计（七）通过增加EMI 滤波器有效降低EMI

欢迎收看工业及汽车系统的

低 EMI 电源变换器设计第七讲

通过增加 EMI 滤波器

有效降低 EMI

在非隔离 DCDC 系统中

由于电源的输入和输出只有两根线

一个电源一个地

有多少电流从电源的输入端流进

就有多少电流从地端流出

它们总是大小相等方向相反的

所以在非隔离 DCDC 系统中

传导 EMI 问题主要是差模 EMI 问题

电路的正常工作就

伴随着差模 EMI 的发生

除了输入电容的位置

PCB layout 起不了太大的

抑制传导 EMI 的作用

值得注意的是

差模传导 EMI 只跟输入电流相关

而不是跟输入电压相关

例如在输出相同功率的 buck 电路中

由于低输入电压意味着高的输入电流

所以低输入电压的 EMI 问题要比

高输入电压的 EMI 问题严重

那么为什么我们需要关注差模 EMI 呢

这个问题

其实跟我们在问为什么

我们要关注电源的输出电压纹波没有两样

因为在同一个电源上

很可能还给其它的用电设备供电

如果 DCDC 输入纹波过大

必然会影响到其他用电设备的正常工作

一个有效的降低输入电压纹波的方法

就是采用输入 EMI 滤波器

对于输入 EMI 滤波器的设计有两个要求

第一要能够把输入纹波降至足够低

以满足行业标准

如针对汽车系统的 CISPR25

或者是针对工业系统的 CISPR22

第二是不能影响开关电源的正常工作

右下图是一个没有 EMI 滤波器的

传导 EMI 结果

它并没有通过 CISPR25 的测试

那么我们应该为它设计

一个怎样的 EMI 滤波器呢

换句话说

我们应该对它的输入纹波进行多大的衰减

才能让它通过 EMI 测试呢

对于传导 EMI 的测试

我们一般采用

线性阻抗稳定网络和频谱分析仪

如果我们已经获得上图的结果

那么问题就相对简单

因为我们只要看看开关频率处的测试结果

再看看你所要通过的测试标准的要求

一相减我们就能够知道该衰减多少了

EMI 的测试结果一般用 dBμV 来衡量

我们知道 20dB 为十倍

40dB 为一百倍

那么 40dBμV 就相当于 1μV 的100倍

也就是 100μV

通常情况下

我们都希望

在正式的 EMI 传导测试之前

就能对 EMI 滤波器有一个初步的设计

这时可以利用下面的方法一

来获得 EMI 滤波器的衰减倍数

我们可以在实验室用示波器的全带宽

去测试输入端的纹波电压

再利用下面的公式把它换成

以 dBμV 作为单位

在跟标准中的要求相减

就可以得到衰减倍数了

而如果我们需要在电路的设计阶段

就需要知道输入滤波器的衰减倍数

我们则可以通过方法二来估算输入电压纹波

DCDC 的输入电流纹波

如右下图的虚线所示

它可以等效为图中的矩形波

我们可以对矩形波进行傅里叶变换后

以及第一阶谐波在电容上所产生的电压

来等效 DCDC 的输入电压纹波

这样利用相同的方法

我们就可以得到 EMI

输入滤波器的衰减倍数了

所以只要我们确定了 duty cycle

开关频率以及输入电容

我们就可以通过方法二来估算

EMI 滤波器的衰减倍数

确定了 EMI 滤波器的衰减倍数后

我们就可以着手设计

EMI 滤波器的电感和电容了

EMI 滤波器的电感一般选择范围为

1微亨到10微亨

对于大的输入电流

我们一般采取小的电感

以减少其导通损耗

滤波电容的选择主要考虑

LC 的谐振频率点的位置

下式中的 Cfa

将 Lc 的谐振频率

定位在开关频率的1/10处

而在谐振频率以外

滤波器的增益将按照 -40dB

每倍频进行衰减

所以按照上面所计算的衰减倍数

我们将可以获得 Cfb

最后的 Cf 选择

应该选择 Cfa 和

Cfb 中较大的一个

输入滤波器的输出阻抗应该比较低

以保证 DCDC 的正常工作

而滤波器在谐振频率处的

阻抗一般是比较高的

这样我们就需要

在 B 点增加电解电容 Cd

来降低其输出阻抗

电解电容 Cd 的容值应该

保证在谐振频率处

其阻抗比 ESR 足够的低

同时跟输入电容 Cin 一相比足够的大

一般选取 Cd 大于四倍的 Cin 以上

它的 ESR 由滤波器电感和

输入电容 Cin 所决定

这是一个利用了 LM53603 的例子

左边这个图是增加 EMI Filter

之前的测试结果

右边这个图是加入了 EMI Filter

之后的 EMI 测试结果

可以明显地看到 EMI 滤波器

有效地改善了传导 EMI 辐射

通过了测试

这是另外一个利用了 LM5165 的例子

在输入端增加了输入滤波器以及 TVS 管

以保护可能从 VDC 端过来的脉冲电压

大家也可以看到 EMI 滤波器

同样有效地改善了其传导 EMI 的性能

并通过了 CISPR22 的测试

EMI Filter 的计算相对繁琐

TI 的线上工具 Webench

为大家做了这部分的计算

一旦大家完成了电路的设计

你只要选择 EMI 计算辅助

它就可以按照你所选择的标准

是 CISPR25 还是 CISPR22

自动为你完成 EMI 滤波器的设计

同样你也可以自己

输入 EMI 滤波器的值

它也会为你计算相应的结果

大大地简化了 EMI 滤波器的设计流程

这一讲就讲到这，谢谢

欢迎收看工业及汽车系统的

低 EMI 电源变换器设计第七讲

通过增加 EMI 滤波器

有效降低 EMI

在非隔离 DCDC 系统中

由于电源的输入和输出只有两根线

一个电源一个地

有多少电流从电源的输入端流进

就有多少电流从地端流出

它们总是大小相等方向相反的

所以在非隔离 DCDC 系统中

传导 EMI 问题主要是差模 EMI 问题

电路的正常工作就

伴随着差模 EMI 的发生

除了输入电容的位置

PCB layout 起不了太大的

抑制传导 EMI 的作用

值得注意的是

差模传导 EMI 只跟输入电流相关

而不是跟输入电压相关

例如在输出相同功率的 buck 电路中

由于低输入电压意味着高的输入电流

所以低输入电压的 EMI 问题要比

高输入电压的 EMI 问题严重

那么为什么我们需要关注差模 EMI 呢

这个问题

其实跟我们在问为什么

我们要关注电源的输出电压纹波没有两样

因为在同一个电源上

很可能还给其它的用电设备供电

如果 DCDC 输入纹波过大

必然会影响到其他用电设备的正常工作

一个有效的降低输入电压纹波的方法

就是采用输入 EMI 滤波器

对于输入 EMI 滤波器的设计有两个要求

第一要能够把输入纹波降至足够低

以满足行业标准

如针对汽车系统的 CISPR25

或者是针对工业系统的 CISPR22

第二是不能影响开关电源的正常工作

右下图是一个没有 EMI 滤波器的

传导 EMI 结果

它并没有通过 CISPR25 的测试

那么我们应该为它设计

一个怎样的 EMI 滤波器呢

换句话说

我们应该对它的输入纹波进行多大的衰减

才能让它通过 EMI 测试呢

对于传导 EMI 的测试

我们一般采用

线性阻抗稳定网络和频谱分析仪

如果我们已经获得上图的结果

那么问题就相对简单

因为我们只要看看开关频率处的测试结果

再看看你所要通过的测试标准的要求

一相减我们就能够知道该衰减多少了

EMI 的测试结果一般用 dBμV 来衡量

我们知道 20dB 为十倍

40dB 为一百倍

那么 40dBμV 就相当于 1μV 的100倍

也就是 100μV

通常情况下

我们都希望

在正式的 EMI 传导测试之前

就能对 EMI 滤波器有一个初步的设计

这时可以利用下面的方法一

来获得 EMI 滤波器的衰减倍数

我们可以在实验室用示波器的全带宽

去测试输入端的纹波电压

再利用下面的公式把它换成

以 dBμV 作为单位

在跟标准中的要求相减

就可以得到衰减倍数了

而如果我们需要在电路的设计阶段

就需要知道输入滤波器的衰减倍数

我们则可以通过方法二来估算输入电压纹波

DCDC 的输入电流纹波

如右下图的虚线所示

它可以等效为图中的矩形波

我们可以对矩形波进行傅里叶变换后

以及第一阶谐波在电容上所产生的电压

来等效 DCDC 的输入电压纹波

这样利用相同的方法

我们就可以得到 EMI

输入滤波器的衰减倍数了

所以只要我们确定了 duty cycle

开关频率以及输入电容

我们就可以通过方法二来估算

EMI 滤波器的衰减倍数

确定了 EMI 滤波器的衰减倍数后

我们就可以着手设计

EMI 滤波器的电感和电容了

EMI 滤波器的电感一般选择范围为

1微亨到10微亨

对于大的输入电流

我们一般采取小的电感

以减少其导通损耗

滤波电容的选择主要考虑

LC 的谐振频率点的位置

下式中的 Cfa

将 Lc 的谐振频率

定位在开关频率的1/10处

而在谐振频率以外

滤波器的增益将按照 -40dB

每倍频进行衰减

所以按照上面所计算的衰减倍数

我们将可以获得 Cfb

最后的 Cf 选择

应该选择 Cfa 和

Cfb 中较大的一个

输入滤波器的输出阻抗应该比较低

以保证 DCDC 的正常工作

而滤波器在谐振频率处的

阻抗一般是比较高的

这样我们就需要

在 B 点增加电解电容 Cd

来降低其输出阻抗

电解电容 Cd 的容值应该

保证在谐振频率处

其阻抗比 ESR 足够的低

同时跟输入电容 Cin 一相比足够的大

一般选取 Cd 大于四倍的 Cin 以上

它的 ESR 由滤波器电感和

输入电容 Cin 所决定

这是一个利用了 LM53603 的例子

左边这个图是增加 EMI Filter

之前的测试结果

右边这个图是加入了 EMI Filter

之后的 EMI 测试结果

可以明显地看到 EMI 滤波器

有效地改善了传导 EMI 辐射

通过了测试

这是另外一个利用了 LM5165 的例子

在输入端增加了输入滤波器以及 TVS 管

以保护可能从 VDC 端过来的脉冲电压

大家也可以看到 EMI 滤波器

同样有效地改善了其传导 EMI 的性能

并通过了 CISPR22 的测试

EMI Filter 的计算相对繁琐

TI 的线上工具 Webench

为大家做了这部分的计算

一旦大家完成了电路的设计

你只要选择 EMI 计算辅助

它就可以按照你所选择的标准

是 CISPR25 还是 CISPR22

自动为你完成 EMI 滤波器的设计

同样你也可以自己

输入 EMI 滤波器的值

它也会为你计算相应的结果

大大地简化了 EMI 滤波器的设计流程

这一讲就讲到这，谢谢