EMI(1级2级)滤波器设计方法

此培训资料来源于德州仪器（TI）和中国电源学会（世纪电源网）合作举办的“TI现场培训”课程，世纪电源网同意在TI网站上分享这些文档。1第三讲EMI滤波器设计方法主讲：陈为博士福州大学电气工程与自动化学院教授中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员功率变换器磁元件技术系列讲座2015年3月2主要内容一、开关电源EMI基本概念二、EMI滤波器理想参数的设计三、EMI滤波器元件分布参数提取四、滤波器元件近场耦合效应分析1第三讲EMI滤波器设计方法主讲：陈为博士福州大学电气工程与自动化学院教授中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员功率变换器磁元件技术系列讲座2015年3月2主要内容一、开关电源EMI基本概念二、EMI滤波器理想参数的设计三、EMI滤波器元件分布参数提取四、滤波器元件近场耦合效应分析3高频磁性元件的全面设计考虑结构设计电气设计损耗设计温升设计eelANL2833.0)(SPTEMI设计杂散参数空间可行性电气可行性电应力效率/功率密度温升规范EMI规范4二、EMI滤波器理想参数设计3高频磁性元件的全面设计考虑结构设计电气设计损耗设计温升设计eelANL2833.0)(SPTEMI设计杂散参数空间可行性电气可行性电应力效率/功率密度温升规范EMI规范4二、EMI滤波器理想参数设计5滤波器插入损耗IL的定义在滤波器的设计中，通常用插入损耗来反映使用该滤波器和未使用前信号功率的损失和衰减程度。插入损耗越大，表示衰减越多，滤波器的效果越好。插入损耗：120log()2vILv50v50+-v150v50+-v2滤波器6测量原始噪声确定滤波器拓扑设计滤波器参数考虑滤波器元件分布参数确定所需的插入损耗差、共模噪声分离阻抗失配原则滤波器基本设计步骤考虑滤波器元件近场耦合5滤波器插入损耗IL的定义在滤波器的设计中，通常用插入损耗来反映使用该滤波器和未使用前信号功率的损失和衰减程度。插入损耗越大，表示衰减越多，滤波器的效果越好。插入损耗：120log()2vILv50v50+-v150v50+-v2滤波器6测量原始噪声确定滤波器拓扑设计滤波器参数考虑滤波器元件分布参数确定所需的插入损耗差、共模噪声分离阻抗失配原则滤波器基本设计步骤考虑滤波器元件近场耦合7EMI原始噪声的测量将样机的EMI滤波器拆除，测量原始噪声。但要注意由于原始总噪声较高，可能超过量程范围。差模噪声共模噪声80dBLNLN电流探头电流法电压法：双LISN法，差共摸分离器8确定所需的插入损耗原始差模噪声6dmoripkILDMLimitdB滤波器所需的差模插入损耗11051106110711082040608010010520DMlimitpk100106150103f1f21105110611071108200204060808020IL.dmfre()limit.pkfre()108105fre7EMI原始噪声的测量将样机的EMI滤波器拆除，测量原始噪声。但要注意由于原始总噪声较高，可能超过量程范围。差模噪声共模噪声80dBLNLN电流探头电流法电压法：双LISN法，差共摸分离器8确定所需的插入损耗原始差模噪声6dmoripkILDMLimitdB滤波器所需的差模插入损耗11051106110711082040608010010520DMlimitpk100106150103f1f21105110611071108200204060808020IL.dmfre()limit.pkfre()108105fre9滤波器拓扑失配原则FilterSupplyLISNS+DLpfcVds+L100/25100/25高阻低阻低阻高阻低阻高阻低阻高阻10确定滤波器拓扑(一阶)一阶EMI滤波器结构：等效共模滤波器结构等效差模滤波器结构LdmCx2Cx1差模干扰源100ΩLN9滤波器拓扑失配原则FilterSupplyLISNS+DLpfcVds+L100/25100/25高阻低阻低阻高阻低阻高阻低阻高阻10确定滤波器拓扑(一阶)一阶EMI滤波器结构：等效共模滤波器结构等效差模滤波器结构LdmCx2Cx1差模干扰源100ΩLN11一阶滤波器插入损耗模型一级EMI滤波器共模插入损耗数学模型：一级EMI滤波器差模插入损耗数学模型：321212122()()222(22)1()cmcmcmyycmcmycmyycmvsILsLCCRsLCsRCCsvsLdmCx2Cx1100ΩLidm+-vdm2N100ΩL&N+-vdmidm1)()()()(212232121sCCRsCLsRCCLsvsvsILxxdmxdmdmxxdmcmcmdm12一阶差模插入损耗数学模型简化根据一阶差模插入损耗的数学模型可以化简出下图：一阶差模滤波器转折频率fcdm的表达式为：1)()(2122321sCCRsCLsRCCLsILxxdmxdmdmxxdmdm3213)(sRCCLsILdmxxdmdm32121dmxxdmcdmRCCLf-60dB/Dec1001103´1104´1105´1106´1107´1108´2001000100200300fffcdm11一阶滤波器插入损耗模型一级EMI滤波器共模插入损耗数学模型：一级EMI滤波器差模插入损耗数学模型：321212122()()222(22)1()cmcmcmyycmcmycmyycmvsILsLCCRsLCsRCCsvsLdmCx2Cx1100ΩLidm+-vdm2N100ΩL&N+-vdmidm1)()()()(212232121sCCRsCLsRCCLsvsvsILxxdmxdmdmxxdmcmcmdm12一阶差模插入损耗数学模型简化根据一阶差模插入损耗的数学模型可以化简出下图：一阶差模滤波器转折频率fcdm的表达式为：1)()(2122321sCCRsCLsRCCLsILxxdmxdmdmxxdmdm3213)(sRCCLsILdmxxdmdm32121dmxxdmcdmRCCLf-60dB/Dec1001103´1104´1105´1106´1107´1108´2001000100200300fffcdm13541212312233112323122122313123()22222[2(22)2(22)](222)(222)1cmcmcmyyycmcmcmyycmcmyyycmcmyyycmycmycmycmyyyILsLLCCCRsLLCCsLRCCCLRCCCsLCLCLCsRCCCs二阶滤波器插入损耗数学模型二阶EMI滤波器结构：二阶EMI滤波器共模插入损耗数学模型：二阶EMI滤波器差模插入损耗数学模型：1)()()(321231322132132321143221532121sCCCRsCLCLCLsCCCRLCCCRLsCCLLsRCCCLLsILxxxdmxdmxdmxdmxxxdmdmxxxdmdmxxdmdmdmxxxdmdmdm14二阶差模插入损耗数学模型化简根据二阶差模插入损耗的数学模型可以化出下图：二阶差模滤波器转折频率fcdm的表达式为：543121231223112323121222313123()()()1dmdmdmxxxdmdmdmxxdmdmxxxdmdmxxxdmxdmxdmxdmxxxILsLLCCCRsLLCCsLRCCCLRCCCsLCLCLCsRCCCs432212)(sCCLLsILxxdmdmdm532121)(sRCCCLLsILdmxxxdmdmdm53212121dmxxxdmdmcdmRCCCLLf-100dB/Dec1104´1105´1106´1107´0100200300400fffcdm13541212312233112323122122313123()22222[2(22)2(22)](222)(222)1cmcmcmyyycmcmcmyycmcmyyycmcmyyycmycmycmycmyyyILsLLCCCRsLLCCsLRCCCLRCCCsLCLCLCsRCCCs二阶滤波器插入损耗数学模型二阶EMI滤波器结构：二阶EMI滤波器共模插入损耗数学模型：二阶EMI滤波器差模插入损耗数学模型：1)()()(321231322132132321143221532121sCCCRsCLCLCLsCCCRLCCCRLsCCLLsRCCCLLsILxxxdmxdmxdmxdmxxxdmdmxxxdmdmxxdmdmdmxxxdmdmdm14二阶差模插入损耗数学模型化简根据二阶差模插入损耗的数学模型可以化出下图：二阶差模滤波器转折频率fcdm的表达式为：543121231223112323121222313123()()()1dmdmdmxxxdmdmdmxxdmdmxxxdmdmxxxdmxdmxdmxdmxxxILsLLCCCRsLLCCsLRCCCLRCCCsLCLCLCsRCCCs432212)(sCCLLsILxxdmdmdm532121)(sRCCCLLsILdmxxxdmdmdm53212121dmxxxdmdmcdmRCCCLLf-100dB/Dec1104´1105´1106´1107´0100200300400fffcdm15选择设计滤波器电路根据所提供的样机进行EMI滤波器电气参数的设计，设计流程如下：1、由于样机的总噪声主要来自于差模噪声，且样机没有地线，所以针对差模噪声设计EMI滤波器。由于测试条件限制，并联一个2uF电容进行测试，样机原始差模噪声为：11051106110711082040608010010520DMlimitpk100106150103f1f22、由于测试时加入一个2uF电容，将测试的原始噪声转化成实际原始噪声为：4、根据所需差模噪声插入损耗的特性选择设计一阶或二阶的EMI滤波器。3、将实际原始差模噪声与EN55022ClassB的标准线相比，再加入6dB的裕量，可以得到所需的插入损耗曲线：110511061107110850100150DM2fre()limitpkfre()fre110511061107110805010010020IL.dmfre()limit.pkfre()108105fre测量原始噪声(带2uF电容)原始噪声所需要的插入损耗16设计滤波器参数（一阶）1)一阶差模EMI滤波器的插入损耗传递函数及其幅频特性：2)差模噪声的最小频率点fTdm为：（150kHz以后）150TdmfkHz3)差模噪声的最小频率点（150kHz以后）处的插入损耗为：60104.74dmreqVcdmTdmffkHz90dmreqVdB4)一阶差模EMI滤波器的转折频率fcdm为：5)由fcdm选取Cx1,Cx2及Ldm:LcmCx1Cx2Cy2Cy2Cy1Cy1干扰源50Ω50ΩvacLN32121dmxxdmcdmRCCLf所需要的IL1001103´1104´1105´110