实际滤波器的设计与优化

1、几乎所有的电气设备中都会发现有开关电源的应用。通常要求开关电源的效率应尽可能高，空载下损耗应控制在毫瓦范围内。与之相反的要求则是：产品的综合成本应尽可能低。鉴于符合标准的产品才能进入市场，新技术的市场转化时间越来越重要。 EMC 滤波器通常是产品优化方案中的重要组成部分。正确的EMC 滤波器拓扑可以节省产品认证和优化电磁兼容性能的时间。此外，优化的EMC 滤波器可以降低产品的成本和体积。 下面列出的技术文章给出了能深入到EMC 滤波器设计领域的视角。我们将在这里说明为什么考虑滤波器元件的寄生参数是重要的，以及如何利用实用仿真方法加快设计进程。一个产品的成功与否取决于它占领市场的速度。通常，产品

2、认证是一个耗时的环节。如果产品没有通过认证，可能需要重新设计整个产品，因而会增加开发成本；产品延期进入市场也会造成更大的损失。 仔细观察电源的EMC 发射情况，可以发现电磁发射主要有两种形式：传导发射，其频段一般在数kHz 到30MHz 之间；辐射发射，其频段一般在30MHz 到数GHz。降低传导发射通常使用EMC 电源滤波器。EMC 电源滤波器（即开关电源中的滤波器）可能会占整个产品的重要部分。而开发阶段我们总是缺少时间，这成为开发阶段的一种“正常”情况，甚至在产品市场开发之前，要求完成样品。由于缺乏时间，提出的解决方案可能不是最优的。这必然导致滤波器的重新设计，产生不必要的成本依据这种设计

3、方法，产品的材料成本将高达整个产品价格的15%。滤波器设计中经常使用的技术，是“试凑”的方法，也就是不停的更换滤波器元件，如电容和电感，将它们焊接在一起，直到测量的干扰在电磁兼容标准限制内。使用这种方案，设计者通常也无法了解改变这些参数之后会有什么影响。使用这种方法，最后终可获得一个解决方案，但它是我们所需要的最佳方案吗？干扰类型：共模干扰或差模干扰 要优化EMC 滤波器设计，了解干扰的类型很重要。我们还应该了解在某一频段内哪一种类型的干扰占主导地位。我们可以将传导发射分为差模噪声(DM) 和共模噪声(CM)。差模噪声通常在1MHz 以下的低频段占主导地位。在开关电源中，差模噪声主要源于直流母

4、线电容的等效串联电阻（ESR）两端的压降。电压降由纹波电流产生（例如有源功率因数校正器产生的纹波电流）。共模干扰(CM) 通常在1MHz 到100MHz 之间占主导地位。在这个频段范围内，必须要考虑寄生参数和耦合路径。噪声类型对于EMC 滤波器的设计会产生重大影响。如果获知了干扰类型、寄生参数和耦合路径，我们就可以开始设计滤波器。电容性的电抗器和电感性的电容器 为了抑制共模干扰和差模干扰，最常见的EMC滤波器结构是LC 型拓扑。正确选择电感非常重要。须考虑的要点之一就是共模电感（共模扼流圈）的频率特性。下面我们来设计一个LC 型滤波器。图1 给出了它的拓扑结构。图1 LC型滤波器 图中的电容C

5、y 是Y 形联接的电容。这个电容形成一个返回至共模噪声源( 开关电源的功率开关管对地) 的低阻抗路径。L-CMM 是共模电感，共模电感构建了共模电流的高阻抗回路。Cx 是跨接直流电源线的电容，它与共模电感的漏感一起形成一个差模LC滤波器，用于抑制差模噪声。接下来的设计中，我们总是基于图1 所示的基本原理图来进行讨论。 图2 给出了一个10mH 共模电感的阻抗特性曲线，其中蓝色曲线表示10mH 电感的理想特性，红色则表示实际特性，谐振频率在200kHz。高于这个频率时共模电感就表现为电容特性！我们还可发现，共模电感漏感的谐振频率在20MHz。如果我们确信1MHz 以上时是共模噪声起主要作用，我们

6、就应该考虑电感的频率特性。图2 10mH共模电感的阻抗特性图3 某个2.2nF-Y电容的阻抗特性 现在我们来分析Cy 电容的频率特性。图3 给出了一个2.2nF 瓷片电容的阻抗特性，测量值为红色曲线，理论值为蓝色。由于该电容内部等效电感较小，所以它有非常好的高频特性，其谐振频率在30MHz以上。基于这一特点，这种电容常被用来减少传导发射。如果想使用这种电容对高达数百MHz 的辐射发射起作用，就要特别关注其频率特性范围。 到目前为止，滤波器的无源元件实际特性都不是最佳的。显然，为了预测滤波器的实用效果，仅仅基于理论值设计是不够的。基于实测值的EMC 滤波器设计 通常我们进行EMC 滤波器优化的步

7、骤如下：先测量噪声频谱。还要在测量结果中尽力将共模噪声和差模噪声分离。如果我们知道噪声的幅值，并了解电磁兼容标准限值，则可以计算出在一定的频率范围内依从标准所需的衰减量。所需衰减量可以通过以下几种方式计算。 一种方式是用纸和笔的手工计算。我们可以基于电容和电感的理论值来进行计算。但如前面所提到的，这显然不是最好的方式，尤其是在高频范围内尚需考虑滤波器元件寄生参数的影响时。另一种解决方案是使用spice 仿真软件。通常一个有实际意义的仿真，需要首先推导出单一滤波器元件的等效电路，而这些元件要考虑其所有的寄生参数。基于所需精度和元件数量方面的考虑，这个方法可能仍是一个耗时的过程。 另一个解决方案是

8、直接用所测量的滤波器元件阻抗特性曲线进行滤波器设计和仿真。正如我们从图2和图3 中所看到的情况，实际阻抗曲线包含了寄生参数的影响。如果我们能够直接使用实际滤波器元件的阻抗曲线进行仿真，将会得到非常精确的滤波器仿真结果。用这种方法，我们需要什么样的条件呢？ 首先我们需要一个矢量网络分析仪（VNA），用来测量滤波器元件在所需频率范围内的阻抗和相位曲线。为了获得本文中展示的仿真，我们使用带有外部阻抗失配器的VNA 对滤波器元件进行了测量。图4给出了这样的测量全频段阻抗布局图。图4 带外部适配器的矢量网络分析仪（VNA） 测量所需滤波器的所有元件时，我们需要一个软件工具能集成所有的阻抗曲线，来进行滤波

9、器仿真。为此，我们使用内加尔工程公司（Negal Engineering）的EFsyn 软件。 在图5 中可以看到，有一个绘制滤波器原理图的窗口。滤波器元件后（如图5 中的红色标记的电感）没有SPICE 模型。我们直接使用复杂的元件阻抗曲线代之。这种方法还有另一优势，就是它非常快。采用矢量网络分析仪，我们可以为了滤波器设计，去测量在元件货架中的所有想要使用、或将要使用的元件。在元件库中输入所有的测量值后，我们可直接模拟包含寄生元件参数的新滤波器。图5 基于阻抗测量值的滤波器设计软件优化优化：若滤波特性比期望特性差 设计示例：我们来设计一个LC 型共模滤波器。我们知道， 对于传导发射而言， 共模

10、干扰大多在1MHz 到30MHz 之间起主导作用。如果我们在电感和电容实际测量值的基础上，对图1 所示的滤波器仿真，可以得到如下结果：图6 所示共模滤波器的仿真结果 图6（译者注：原文此处错为图4）中，蓝色曲线表示共模滤波器基于元件理论值仿真的频率响应，红色曲线则表示共模滤波器基于元件实际测量值仿真的频率响应。针对图6 的仿真结果，我们可假定电源的输出阻抗为100 欧姆，电源线一侧的阻抗是25 欧姆。在图6（译者注：原文错为图4）中我们看到，共模滤波器的第一个谐振频率在200kHz，这是共模电感谐振频率的影响所致（见图2）。由于，共模滤波器的第二个谐振频率在20MHz 附近，这是共模电感的漏感

11、所致。在30MHz 附近还有一个因Y 电容Cy 引起的谐振。 在1MHz 的红色光标处显示，滤波器的理论衰减值和实测值的衰减仿真结果，差异超过20dB。这就意味着，所设计滤波器噪声衰减程度比预期的少10 倍考虑其他在实际应用中降低滤波器性能的因素！这个例子表明，实践：来自EMC 实验室的故事 过去我们碰到过很多类似事情：我们在研制样机的过程中，想寻求一个降低传导发射和辐射发射的解决方案。例如，用15mH 的扼流圈替换10mH 的扼流圈。我们直觉认为15mH 的扼流圈会优于10mH 的扼流圈。但结果却是，干扰在一个频段内降低了，却在另一个频段内被放大了！实际元件的射频特性可能是其诱因。通常，相同体积的共模扼流圈，感值较大的电感由于线圈匝数的增加而具有更大的寄生电容，因此可能会在较低的频率下发生谐振。利用本文提出的方案，可以充分考虑这种影响，且不需要花费太多