EMI滤波器设计概念

2023-11-05

EMI滤波器设计概念

1.1 基本概念

在开关电源的设计里,为了对策传导干扰大都会在输入端前端加入EMI滤波器,因传导测试是由AC端来做量测,因此滤波器愈靠近接收器效果愈好(让所有的干扰都可经由滤波器做衰减),而一般滤波器是经由电感与电容组合而成的二阶低通滤波器。
如图27所示,当干扰信号在经过接收器之前,由电感与电容组成的二阶低通滤波器来衰减高频信号,由图28可知,愈大的滤波电感或电容,可以让谐振频率点往前移而衰减更多高频信号。
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图27
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图28

1.2 耦合路径

在滤波器设计上,需确认要衰减的路径是差模还是共模,如图29所示为常用的EMI滤波电路,蓝色回路为差模滤波器,左边为L1与X1,右边则由L2与C1所组合而成的差模低通滤波器,紫色回路则为共模滤波器,分别由上端的L1与Y1,L1与Y2组合而成。
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图29

1.3 实际的滤波器考虑

理想的滤波器很容易理解,高频干扰经过低通滤波后衰减其高频信号。但在实际应用里,电感或电容愈大,有时并不一定有较好的EMI效果,甚至有时还会较差,这是为什么?
因真实的电感或电容,必需考虑到组件内部的等效电路,像是理想的电容,其阻抗会随着频率增加而减少,但在实际的电容器内部会有ESL与ESR,当频率与阻抗曲线在超过自谐振频率点(Fr)之后,其阻抗反而会因ESL的效应而导致频率愈高,阻抗愈大。
下面就对滤波电感与电容个别来做介绍:
电容:图30为一电容的等效电路,L为等效电感,Rs为等效串联电阻,Rp为等效并联电阻,C为其电容值
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图30
实际的电容器除了电容值外,仍必需考虑其等效电感与等效电阻的影响,其特性曲线如下图所示,电容的XL是由其内部的ESL所造成,因电容是由二片金属板绕制而成,因此容值愈大,其ESL也会愈大,也因此Fr也会在愈前面,当频率过了Fr后,其阻抗会由电容性改为电感性。
由图31的阻抗等效图可以看出,电容器在低频时,确实是由电容所主导,频率增加而阻抗降低,但在过了Fr后,阻抗特性开始由电感(ESL)所主导,频率增加后阻抗反而会上升,在此频段的电容呈现一个电感的特性。
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图31
在此举例一0.47uF的X电容如下图32所示,左边为其外型与等效内部电路,右边则为等效内部阻抗与频率曲线图,量测得知其等效电感为0.45nH, 等效电阻为0.05ohm,我们可以看出其阻抗在1.09MHz之前是呈电容性下降,在1.09MHz时呈现急速下降至ESR的位置,并在1.09MHz后呈现电感性上升,转折频率点为
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与图中转折点相同(此图为示意图,详细曲线图请确认电容器厂商规格书或用LCR设备量测)。
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图32
所有的电容其实都有此频率特性曲线,像是图33为一相同类型但不同容质所得出的阻抗与频率曲线,由此图形可知,不同的容质会因其容质与ESL不同而有不同的共振频率点与与频率曲线。
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一样MLCC的电容,也会因为其介电系数的不同而影响阻抗特性曲线,如图34所示为Z5U与NPO(相同容值)所呈现出来的阻抗与频率曲线。
另外,相同材质与容质,也会因不同的包装影响其ESL而有不同的阻抗特性曲线,如图35为相同容值与材质,但包装不同(0402/0603/0805)所呈现出来的阻抗与频率曲线。
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图34
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图35
由上面的阻抗与频率特性曲线可得知,在对策不同频段的电磁干扰时,必需考虑不同材质,不同包装的电容在此频段时的阻抗特性为何,并依此来选择电容器才能达到预期的效果。
电感:图36为电感的等效电路,Rs为等效电阻,C为等效电容,L则为其电感量。
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图36
与电容器相似,其频率特性曲线如图37所示,在转折频率点以下时是由电感所主导,但过了转折频率点之后,会由电感的等效电容主导,当频率愈高时阻抗反而愈小。感量愈大的电感,因其必需绕制更多圈数来得到其所需的感量,因此更多的圈数会导至更大的寄生电容,转折频率点也会较为前面,而在高频时的衰减能力也会较差,如图38所示为三颗相同环形铁心绕制不同圈数后得出的阻抗频率特性曲线,L1最多圈因此在前频段时上升最快,但也因寄生电容最大而最快被衰减。
另外,电感的等效电容与电感的绕法/圈数有很大的关系,一般是圈数愈多会有愈大的等效电容,但电感的绕制可以用绕法的不同,像是十字绕法,蝴蝶绕法…等方式,用相同的电感但不同的绕法来得到相同感量但减少其等效电容,藉此来得到较佳的EMI效果。
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图37
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图38

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