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利用濾波電容和濾波電感抑制輻射EMI

發(fā)布時間:2023-10-17 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】抑制電磁干擾(EMI)最常見的方法之一是使用濾波電容和濾波電感。本文將討論在雙有源橋式變換器中這些濾波組件的阻抗特性及設(shè)計方法,并以此闡明二者對輻射 EMI的抑制作用。


雙有源橋式變換器的輻射 EMI 模型


當(dāng)開關(guān)管(M1)在一個開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通時,電流路徑依次為:輸入電壓(VIN)、電感(L)和 M1。其間,電感電流 (IL) 爬升,電感儲存能量(見圖 1)。 


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圖 1:雙有源橋式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理圖


圖 2 顯示了輻射 EMI 的原理,其中左圖 2a 為偶極天線的輻射原理,右圖 2b 則顯示了輻射 EMI 的一般模型。


如圖 2a 所示,天線的能量流向三個不同的部分:第一部分在兩極之間諧振,不會輻射到空間,其中 jXA 是無功功率對應(yīng)的阻抗;功率的第二部分輻射到空間中,用 Rr 表示;最后一部分能量消耗在天線電阻上,用 Rl 來表示。


圖 2b 為輻射 EMI 的一般模型。變換器可以通過等效噪聲源 (VS) 和源阻抗(用實(shí)部 RS 和虛部 XS 表示)進(jìn)行建模。 


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圖2: 輻射EMI原理


CM 電流 (IA) 的幅度 (|IA|) 可通過公式 (1) 計算:


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其中 RA 為 Rl 和 Rr 之和,電流系數(shù)(KI)是與 IA 成正比的系數(shù)。


為了確定輻射 EMI,我們需要測量變換器在設(shè)定距離處產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度。假設(shè)計算變換器距離 (r) 處的電場強(qiáng)度最大值 (EMAX),公式 (2) 如下:


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其中 η 為波阻抗,D 代表方向,半徑 (r) 是該方向(D)上的最大功率密度與球體平均功率密度之比,電場強(qiáng)度系數(shù) (KE) 是與輻射電場強(qiáng)度直接成正比的系數(shù)。


天線和變換器的阻抗可以通過測試獲得。如需獲取更多信息,請參閱如何測量高頻、共模電流、電壓和阻抗的系列文章(上、中和下)。


輻射 EMI 尖峰產(chǎn)生的原因


KI 可用公式(3)來計算:


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KE 可用公式(4)來計算:


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由于 XS 和 XA 可能同時具有容性和感性,因此可相互抵消。如果 RS 和 RA 之和較小,則在頻譜中會觀察到峰值。


圖 3 顯示了雙有源橋式變換器源阻抗和天線阻抗的測量結(jié)果。其中 XS 和 XA 曲線相交四次,僅當(dāng)相位相反時(圖 3 中的位置 1 和 2),XS 和 XA 才能相互抵消。另外,由于位置 2 處的 RA 非常大(接近1000Ω),因此該點(diǎn)不太可能出現(xiàn)諧振尖峰。相反,位置 1 處的 RA 則僅為 100Ω 左右(位置 1 處的頻率約為 167MHz)。 


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圖 3:雙有源橋式變換器的源阻抗和天線阻抗


圖 4 顯示了 KI 和 KE 曲線。 


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圖4: KI 和 KE 計算


圖 5 顯示了測得 IA 和輻射 EMI 的頻譜。 


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圖 5:測得 CM 電流和輻射 EMI 頻譜


在 167MHz 處,由于 XS 和 XA 相互抵消,且 RS + RA 較小,可觀察到諧振尖峰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可驗(yàn)證該結(jié)果。


CM 電感對輻射 EMI 的影響及設(shè)計方法


在輸入或輸出端子添加 CM 電感是抑制輻射 EMI 的常用方法。但電感的高頻模型通常都需要考慮其等效電容 (CP) 和等效電阻 (RP) 的影響(見圖 6)。 


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圖 6:考慮電感的 CM 電感和輻射模型


為了簡化輻射模型,電感模型可表達(dá)為電阻 (RCM) 和電抗 (XCM)的串聯(lián)形式。將電感模型應(yīng)用到圖 2b 所示的模型中,就可以得到圖 6 的 CM 電感和輻射模型。需要注意的是,RCM 和 XCM 都隨頻率變化。在這種情況下,需要修改公式(3)和(4)中的 KI 和 KE 來計算 CM 電流系數(shù) (KI_CM) 和 CM 電場強(qiáng)度系數(shù) (KE_CM)。


KI_CM 可通過公式(5)來計算:


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KE_CM 可通過公式(6)來計算:


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CM 電感對輻射的影響有三個方面:


1. 輻射 EMI 頻譜中的諧振頻率會發(fā)生變化;

2. 系數(shù)中的電阻 (RS + RA + RCM) 會增大;

3. 系數(shù)中的電抗 (XS + XA + XCM) 會變化。


下文將進(jìn)一步分析電抗和電阻。


電感電抗


電感的電抗可以為正,也可以為負(fù)。當(dāng)電感低于其自諧振頻率 (fCM) 時,電感會表現(xiàn)出感性行為(XCM 為正);當(dāng)電感頻率高于 fCM 時,則表現(xiàn)出容性行為(XCM 為負(fù))。fCM 可以用公式 (7)來估算:


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我們來看原始諧振頻率 (167MHz) 下的 XCM。如果 XCM 為負(fù)(容性),則新的諧振頻率增加; 如果 XCM 為正(感性),則新的諧振頻率降低。由于幅度 (VS) 通常隨頻率的增加而減小,因此建議增大諧振頻率,以便該頻率下的輻射電流較小。因此,正確選擇電感對于確保 XCM 在原始諧振頻率處為負(fù)值非常重要。


通過添加電感來防止新的諧振尖峰也很重要。由于天線阻抗 (XA) 為容性,當(dāng)諧振頻率低于 fCM 時,XCM 保持感性;因此 XCM 必須小于 XA 才能避免阻抗交叉和由此產(chǎn)生的諧振尖峰。


電感電阻


RCM 在 fCM 時達(dá)到其最大值。為了避免尖峰,選擇的電感需確保 fCM 盡可能接近新的諧振頻率。


圖 7 顯示了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的 CM 電感阻抗曲線。 


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圖7: CM 電感的阻抗曲線


圖 8 對添加 CM 電感前后的 KI 和 KE 曲線進(jìn)行了比較。CM 電感可以使 KI 和 KE 降低約 13dB。 


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圖8: 添加 CM 電感前后的 KI 和 KE 曲線比較


圖 9 顯示了電路中添加和不添加 CM 電感時的 IA(左側(cè))和輻射 EMI(右側(cè))測試結(jié)果。 


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圖 9:添加和不添加 CM 電感時 的 CM 電流和輻射 EMI 比較


以上結(jié)果表明,添加 CM 電感可以抑制添加前產(chǎn)生的 EMI 尖峰。實(shí)際結(jié)果也與 KI 和 KE 的變化一致。添加 CM 電感后,167MHz 處的噪聲滿足 FCC B 級輻射 EMI 標(biāo)準(zhǔn),但裕量較小。而 30MHz 處的噪聲仍高于標(biāo)準(zhǔn)。


Y 電容對輻射 EMI 的影響及設(shè)計方法


我們還可以考慮其他可抑制輻射EMI的濾波組件,例如Y電容。在輸入和輸出直流總線之間連接 Y 電容是抑制 EMI 的另一種流行方法。與電感模型類似,Y 電容模型可以表達(dá)為等效串聯(lián)電阻(ESR,表示為 RY)和電抗(XY)的串聯(lián)形式(見圖 10)。 


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圖10: 考慮 Y 電容的輻射 EMI 模型


通常情況下,Y 電容的 RY 可以忽略不計。 此外,只有當(dāng) Y 電容的阻抗明顯小于天線阻抗時,EMI 噪聲才能被旁路。因此,我們可以假設(shè) XY << XA。在這種假設(shè)之下得到修正后的電流系數(shù)(KI_Y)和電場強(qiáng)度系數(shù)(KE_Y)。


KI_Y 可通過公式(8)計算:


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KE_Y 可通過公式(9)計算:


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降低 30MHz 和 167MHz 處的 EMI


如前所述,由于需要進(jìn)一步抑制 30MHz 和 167MHz 處的 EMI 噪聲,我們對這兩個頻段進(jìn)行分析。


根據(jù)圖 3 中的阻抗曲線,30MHz 時,XA >> RA、XS 和 RS。通過比較 KI_Y 和 KI(或者通過 KE 觀察 KE_Y),Y 電容的插入損耗可通過公式(10)來計算:


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為了有效抑制 EMI,插入損耗必須低于 1,而且值越小,抑制 EMI 的效果越好。這意味著 |XY| 必須小于 |XS|,而|XY| 必須盡可能小。根據(jù)圖 3 的測量結(jié)果,如果 XY 在 30MHz 時呈現(xiàn)容性,則其電容必須超過 86pF 才能保證插入損耗低于1;如果 XY 在 30MHz 時呈感性,則其電感必須小于 327nH,才能確保插入損耗低于 1。


阻抗曲線表明,167MHz 時,RA >> XA、XS 和 RS。經(jīng)過化簡,其插入損耗與公式(10)一致。類似的分析表明,如果 XY 在 167MHz 時為容性,則其電容值應(yīng)該超過 30pF;如果 XY 在 167MHz 時呈感性,則其電感應(yīng)低于 30nH。


圖 11 結(jié)合了兩個頻段的要求,展示了兩個可行的 Y 電容及其阻抗曲線。左側(cè)的藍(lán)色曲線為 100pF Y 電容,右側(cè)的黑色曲線為 470pF Y 電容。在 30MHz 時,470pF 電容的阻抗較低,對 EMI 抑制效果更好;在 167MHz 時,100pF 電容則表現(xiàn)出更好的抑制性能。 


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圖11: 100pF(藍(lán)色)和 470pF(黑色)Y 電容的阻抗曲線


圖 12a 比較了不同 Y 電容對 KI 和 KE 系數(shù)的影響??梢钥闯觯?00pF 和470pF Y 電容均可有效抑制 EMI。而且,100pF 電容在 167MHz 頻段效果顯著,而 470pF 電容在 30MHz 頻段效果更明顯。這也與之前的理論分析相一致。


圖 12b 顯示的 EMI 測量結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析。 當(dāng)使用不同的 Y 電容時,不同頻段的輻射 EMI 都有不同程度的降低,這種降低與預(yù)測結(jié)果一致。 由此可以看出,對輻射 EMI 的設(shè)計而言,調(diào)整濾波元件可以抑制特定頻段的 EMI。 


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圖12:KI、KE和輻射 EMI 的比較


LC 濾波設(shè)計原理


當(dāng)電路中同時存在電感和電容濾波元件時(見圖13),設(shè)計應(yīng)遵循阻抗失配原則。如果源阻抗較小,則串聯(lián)一個阻抗較大的濾波電感;如果負(fù)載阻抗較大,則并聯(lián)一個阻抗較小的旁路電容。 


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圖 13:同時采用電感和電容作為濾波組件的輻射 EMI 模型


結(jié)語


本文回顧了輻射 EMI 的基本模型,并介紹了產(chǎn)生輻射 EMI 尖峰的原理,同時通過一個雙有源橋式變換器觀察了 CM 電感和 Y 電容對 CM 噪聲的影響。


在傳導(dǎo)頻段,濾波元件的低頻特性常被用于抑制 EMI。在輻射頻段,則通常利用濾波元件的雜散參數(shù)來更有效地抑制 EMI。


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