一種有源共模EMI濾波技術(shù)研究

摘要：實(shí)現(xiàn)了一種用于開關(guān)電源的有源EMI共模濾波器方案，并在一個(gè)半橋電路的基礎(chǔ)上應(yīng)用這種方案，對(duì)整機(jī)做了EMI傳導(dǎo)測(cè)試。分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了有源濾波器的使用對(duì)開關(guān)電源的共模傳導(dǎo)干擾抑制的有效性。
關(guān)鍵詞：有源EMI濾波器；共模抑制；傳導(dǎo)干擾

0 引言
    開關(guān)電源中功率開關(guān)器件的高速開關(guān)動(dòng)作(從幾十kHz到數(shù)MHz)，形成了EMI騷擾源，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會(huì)注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。為此，國(guó)內(nèi)外也制定了許多標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制開關(guān)電源的干擾。
    在美國(guó)和歐洲，傳導(dǎo)噪聲是按FCC和VDE標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)和B級(jí)限制嚴(yán)格管理的，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是全世界通用標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)電源的產(chǎn)品如果要通過(guò)EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，往往需要綜合采用各種方法，而大部分都需要增加濾波器。傳統(tǒng)的濾波器大多采用無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器常常受到可用的電感、電容的體積制約。因此，很多國(guó)外學(xué)者對(duì)有源的EMI濾波器做了很多研究，來(lái)試圖找到解決的辦法。本文主要是闡述了一種有源EMI濾波器方案，分析了它減小傳導(dǎo)共模EMI的原理，并給出了實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，它需要的電感、電容的體積相對(duì)較小，對(duì)高頻干擾提供足夠的衰減。

1 傳導(dǎo)共模干擾的測(cè)量
    以一個(gè)AC/DC半橋變換器為例，測(cè)量裝置接法如圖l所示，電網(wǎng)供電是經(jīng)過(guò)一個(gè)電網(wǎng)阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，LISN的測(cè)量電壓送入分析裝置以分析干擾量。LISN包含電阻、電感和電容，相對(duì)于50Hz低頻信號(hào)，50μH電感相當(dāng)于短路，而O.1μF電容則相當(dāng)于開路；而對(duì)于EMl噪聲頻率的信號(hào)，該電感則呈現(xiàn)高阻抗，而電容則呈現(xiàn)低阻抗，從而是噪聲電流流過(guò)50Ω電阻，可測(cè)得的其上電壓Vx、Vy值，由傳統(tǒng)理論可以分析得出，共模干擾電壓VCM與Vx、Vy的關(guān)系為

2 傳導(dǎo)干擾傳播途徑的分析
    共模干擾噪聲源主要來(lái)自開關(guān)器件對(duì)地電容，仍以上面的AC/DC半橋變換器為例，MengJin等人通過(guò)理論實(shí)驗(yàn)論證得出了共模噪聲回路的一個(gè)模型。
    實(shí)際電路中，由于元器件等的寄生參數(shù)的影響，比如電容元件的寄生電感，電感元件的寄生電容以及PCB布局、布線的寄生參數(shù)，真實(shí)的共模噪聲回路是很難得出的。其中一個(gè)主要寄生參數(shù)是MOSFET與其連接的散熱器之間的電容Cp，而散熱器從安全角度考慮通常都是連接到地的，而且為了導(dǎo)熱，MOSFET與散熱器之間的絕緣墊片很薄，這也使得Cp尤其大，故認(rèn)為共模噪聲主要途徑是由交變電壓作用在對(duì)地的寄生電容上這個(gè)網(wǎng)路中傳播的。通過(guò)分析不難得知：當(dāng)VAB>V1+V2，整流管D1、D3是導(dǎo)通的，如圖2和圖3所示，當(dāng)S1開通時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)電位被箝位為Vc。通過(guò)R1、C1．D1、S1、Cp和R2、C2、D3、V1、Cp兩條回路對(duì)Cp充電；當(dāng)S2開通時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)被箝位為VE，Cp通過(guò)S2、D3、C2、R2、Cp和S2、V1、D1、R1、Cp進(jìn)行放電；當(dāng)VAB<V1+V2時(shí)，整流管D1、D3不可能同時(shí)導(dǎo)通，則Cp上的電壓會(huì)隨S1、S2的通斷而波動(dòng)，其充放電電流只會(huì)流經(jīng)D1、D3的一個(gè)，有文獻(xiàn)稱這樣引起的噪聲為非固有差模噪聲，其會(huì)由于A、B 間接入的X電容轉(zhuǎn)化為共模噪聲。

3 共模有源濾波器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理
    Shikoski J．提出了一種有源濾波器的原理拓?fù)淙鐖D4所示，Vr是高頻噪聲干擾源，通過(guò)ZSENSE感應(yīng)噪聲電流ir，并通過(guò)反饋輸出補(bǔ)償電流Air，以此來(lái)抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的噪聲電流，從而達(dá)到消除躁聲電流的目的。圖5為實(shí)驗(yàn)中的共模有源濾波器的基本原理圖，它也是基于以上原理來(lái)設(shè)計(jì)的。一般LISN測(cè)得的傳導(dǎo)干擾包含了共模和差模的EMI，在實(shí)際應(yīng)用中，差模干擾較易濾除，共模干擾往往成為傳導(dǎo)干擾的瓶頸，因此圖5中的輸入濾波器用數(shù)個(gè)O.47μF的X電容并聯(lián)在L、N線兩端，這樣可以基本濾掉差模干擾，在實(shí)驗(yàn)中著重共模EMl的抑制。電流互感器LCM這里的作用是感應(yīng)共模電流，它將高頻噪聲信號(hào)從電源端分離出來(lái)，并在RIN兩端產(chǎn)生高頻的電壓加在運(yùn)放兩端。這里ig為被檢測(cè)到的共模干擾電流，in為開關(guān)電源中的共模干擾源，運(yùn)放的作用是由輸出電壓通過(guò)電容C1、電阻R3產(chǎn)生電流ic以補(bǔ)償in。C1將濾波電路與主電路隔離，其作用是對(duì)主電路中直流和低頻的功率電流呈高阻抗，而對(duì)噪聲的高頻信號(hào)呈低阻抗。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
4.1 運(yùn)算放大器的選擇 
    在理想情況下，通過(guò)補(bǔ)償ig=O，這需要ic=-in，在實(shí)際中往往由于運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)不可能是無(wú)窮大，而且從穩(wěn)定性考慮，高頻情況下對(duì)環(huán)路增益折中選擇。另外需選用頻帶較寬，響應(yīng)速度快，對(duì)輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制并且能輸出較大電流(電流幅值約20mA/120dBμV)的運(yùn)放，這里選擇運(yùn)放為TI公司的THS系列中如THS4001或者Fairchild公司的FHP3130、FHP3230、FHP3430等。
4.2 電流互感器的設(shè)計(jì)
    這里電流互感器采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)，選取原副邊匝比為l：N，其中原邊為一匝電源進(jìn)線，這里需要電流互感器有一階高頻特性，其低頻可等效為如圖6所示，可以知道其下限頻率為

   

式中：Ae為磁芯的有效截面積；
    ι為有效磁路長(zhǎng)度；
    μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

    故要改善下限截止頻率，可以增加副邊繞組，增加磁芯有效截面積等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    對(duì)于上限截止頻率，提高電流互感器高頻特性，只有盡量減小互感器的寄生參數(shù)的影響，如為了消除原、副邊繞組間寄生電容對(duì)電流互感器高頻特性的影響，對(duì)原邊電流進(jìn)線可采用屏蔽設(shè)置。
4.3 C1的選擇
    C1起到的是隔離直流偏置電源與主電路回路的作用，這里選擇Yl型電容。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
    實(shí)驗(yàn)以一個(gè)半橋變換電路作為被測(cè)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為全屏蔽實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)所用儀器為一臺(tái)LISN和一臺(tái)SCR3501型電磁兼容測(cè)量分析儀。被測(cè)物距地面高度為0.8 m，距檢測(cè)裝置LISN水平距離O.8 m，所有裝置的外殼均可靠接大地。測(cè)得被測(cè)對(duì)象的傳導(dǎo)FMI頻譜如圖7、圖8、圖9所示，均采用峰值檢測(cè)頻譜圖中的兩條準(zhǔn)線，上面一條為歐盟傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)EN55022B，下面一條線為與之相差lOdB表示裕量。圖7為無(wú)任何EMI濾波措施時(shí)裝置的頻譜，噪聲電流直接經(jīng)分布電容流回交流電源側(cè)，因此超標(biāo)嚴(yán)重；圖8為增加了有源濾波裝置后共模噪聲測(cè)量頻譜，在全頻段范圍內(nèi)均有大幅衰減，在較低頻段(150kHz～2MHz)抑制略有不足，圖8中標(biāo)示在210 kHz這個(gè)點(diǎn)上仍然超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(該點(diǎn)處約64dB)約3.5 dB。圖9為有源與無(wú)源濾波電路相結(jié)合后所測(cè)得的噪聲頻譜，在有源濾波的基礎(chǔ)上還增加了一個(gè)小的共模電感并增加了兩個(gè)Y電容，此時(shí)150kHa~1 MHz上的噪聲明顯衰減，全頻帶范圍內(nèi)噪聲值均在下面一條準(zhǔn)線以下，因此至少還有10dB裕量。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文闡述了共模傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生及其流動(dòng)的回路以及測(cè)量的原理，并以此對(duì)有源濾波器的進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。
    (1)這種有源EMI濾波器能夠?qū)MI的共模干擾起到類似無(wú)源元件構(gòu)成的濾波器的濾波作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，濾波器工作性能是穩(wěn)定的，配合少量無(wú)源元件可以達(dá)到EMI檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)。
    (2)與傳統(tǒng)的EMI濾波器相比較，該有源濾波器易于集成，這也是一種趨勢(shì)，現(xiàn)在已經(jīng)有用于DC/DC方面的集成有源EMI濾波器的成品，如PIC0R公司的QPI-3，采用封裝為1.0”×1.O”×O.2”SIP，能有效減少濾波器的體積和高度，且在很大程度上不依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，這種利于集成和以實(shí)用為主導(dǎo)的技術(shù)思想也是開關(guān)電源EMI抑制手段的一種新思路。