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轻松快速设计开关模式电源EMI滤波器

【导读】凭借其高功率转换效率,开关模式电源在现代电子系统中被广泛应用。但是,开关模式电源数量增加的一个副作用是会产生开关噪声。这些噪声一般被称为电磁干扰(EMI)、EMI噪声,或者单纯就是噪声。例如,典型的降压转换器输入侧的开关电流属于脉动电流,富含谐波成分。快速开启和关闭功率晶体管会导致电流突然中断,导致高频电压振荡和尖峰。

问题在于,高频率噪声会与系统中的其他器件耦合,降低敏感的模拟或数字信号电路的性能。因此,工业界产生了许多标准,来设定了可接受的EMI限值。为了满足开关模式电源的这些限值,我们首先必须量化其EMI性能,如果必要,还要添加合适的输入EMI滤波,以衰减EMI噪声。遗憾的是,EMI分析和滤波器设计对工程师常常是一项困难任务,需要反复进行设计、构建、测试和重新设计,非常耗费时间—这还是在拥有合适的测试设备的前提下。为了加快EMI滤波器设计过程,以满足EMI规格要求,本文介绍如何轻松快速地对EMI噪声分析和滤波器设计进行估算,并使用ADI的LTpowerCAD®程序进行预构建。

不同类型的EMI:辐射和传导噪声、共模和差模

EMI噪声主要分为两种类型:辐射型和传导型。在开关模式电源中,辐射型EMI一般由开关节点上的快速变化,高dv/dt噪声产生。电磁辐射行业标准一般覆盖30 MHz至1 GHz频段。在这些频率下,开关稳压器产生的辐射EMI主要来自开关电压振荡和尖峰。这种噪声在很大程度上取决于PCB板的布局。因为这些噪声由电路寄生参数决定,对一个工程师来说,除了保证良好PCB布局实践之外,几乎不可能在“演算纸上”准确预测开关模式电源会传输多少辐射EMI。要量化其辐射EMI噪声等级,我们必须在设计完备的EMI实验室内测试电路板。

传导型EMI由开关稳压器传导输入电流的快速变化引起,包括共模(CM)和差模(DM)噪声。传导EMI噪声的行业标准限值覆盖的频率范围一般比辐射噪声的范围小,为150 kHz至30 MHz。图1所示为DC-DC电源(即EMI实验室中的待测设备DUT)的共模和差模噪声的常见传导路径。

为了量化输入端传导EMI,我们需要测试时在稳压器的输入端设置一个线路阻抗稳定网络(LISN),用以提供标准输入源阻抗。在每条输入线路和接地之间测量共模传导噪声。共模噪声在高dv/dt开关节点上生成,通过器件的寄生PCB电容CP接地,然后传输至电源输入LISN。与辐射EMI一样,高频开关节点噪声和寄生电容很难被准确地建模预估。

差模(DM)噪声是在两条输入线路之间进行差分测量。DM传导噪声从开关模式电源的高di/dt、脉冲输入电流中产生。幸运的是,不像其他EMI类型,输入电容和LISN电路中产生的脉冲输入电流和由此导致的相对低频率EMI可以利用LTpowerCAD等软件预测,且精度较高。这也是本文讨论的重点。

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图1.对开关模式电源的差模和共模传导EMI实施基于LISN的测量的概念概述。

图2所示为开关模式降压型电源(不带输入EMI滤波器)的典型差模EMI噪声图。最显著的EMI尖峰在电源的开关频率下出现,额外的尖峰则在谐波频率下出现。在图2所示的EMI图中,这些尖峰的峰值超过了CISPR 22 EMI限值。要满足这些标准,需采用一个EMI滤波器来衰减差模EMI。

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图2.不带输入EMI滤波器的开关模式降压型电源的典型差模EMI图。

差模传导EMI滤波器

图3所示为开关模式电源输入侧的典型差模传导EMI噪声滤波器。在本例中,我们在电源的本地输入电容CIN(EMI噪声源一侧)和输入源(LISN接收器一侧)之间添加了一个简单的一阶低通 LfCf网络。这与标准EMI实验室的测试设置匹配,其中LISN网络被连接到LC滤波器的滤波电容 Cf 一侧。使用频谱分析仪测量LISN电阻R2上的差分信号,就可以量化DM传导EMI噪声。

图4所示为LC滤波器的衰减增益图。在极低频率下,电感有低阻抗,本质上近似短路,而电容的阻抗高,本质上近似开路。对应得出的LC滤波器增益为1 (0 dB),使得直流信号能够无衰减传输。随着频率升高,在LfCf的谐振频率处出现增益尖峰。当频率高于谐振频率时,滤波器增益按–40 dB/10倍频程的速率衰减。在相对较高的频率下,滤波器增益基本由元件的寄生参数决定:比如滤波器电容的ESR和ESL,以及滤波器电感的并联电容。

由于此LC滤波器的衰减能力随频率升高而迅速增强,所以前几次的低频噪声谐波的幅度在很大程度上决定了EMI滤波器的大小,其中电源开关频率(fSW)处的基本噪音成分是最重要的目标。因此,我们可以将重点放在降低EMI滤波器的低频增益上,以满足行业标准。

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图3.差模EMI噪声滤波器(从节点B至节点A)。

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图4.典型的单LC EMI滤波器插入增益与频率之间的关系图。

LTpowerCAD可以方便预测电源的滤波器性能

LTpowerCAD是一款电源设计辅助工具,可以在analog.com/LTpowerCAD费下载安装。该程序可以为工程师提供辅助设计,让他们只需简单几步,在几分钟内就能设计和优化整个电源参数。

LTpowerCAD引导用户完成整个电源选择和设计过程。用户可以开始输入电源规格,在此基础上,LTpowerCAD选择的合适的解决方案,然后帮助用户选择功率级组件,优化电源效率、设计环路补偿和负载瞬态响应。

在本文中,我们要介绍的是LTpowerCAD的输入EMI滤波器设计工具,它使工程师能够快速估算差模传导EMI,并确定满足EMI标准需要哪些滤波器组件。LTpowerCAD的滤波器工具可以帮助工程师在实际制板和测试前,就预估滤波器的参数,从而显著缩短设计时间和降低设计成本。

采用LTpowerCAD实施EMI滤波器设计

概述

现在让我们来看看DM EMI滤波器设计示例。图5所示为LTpowerCAD原理图设计页面,显示了使用LTC3833降压转换控制器的电源组件选择。在这个例子中,该转换器采用12 V输入和5 V/10 A输出。开关频率fSW是1MHz。在设计EMI滤波器之前,我们应首先通过选择开关频率、功率级电感、电容和FET来设计降压转换器。

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图5.LTpowerCAD原理图设计页面和集成式EMI工具图标。

在选择功率级组件后,如图6所示,我们可以点击EMI设计图标,来打开DM EMI滤波器工具窗口。这个EMI设计窗口显示了电源输入电容CINB/CINC 和输入端LISN之间的输入滤波器网络LfCf。此外,还有备用的阻尼电路,例如LISN一侧的网络CdA/RdA、电源输入电容一侧的网络CdB/RdB ,以及滤波器电阻Lf中的备用阻尼电阻RfP。图6右侧是估算的传导EMI噪声图和所选的EMI标准限值。

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图6.LTpowerCAD传导DM EMI滤波器设计窗口 (Lf = 0,无滤波器)。

选择一项EMI标准

在设计EMI滤波器时,您需要了解设计目标——即EMI标准本身。LTpowerCAD内置CISPR 22(常用于电脑和通讯设备)、CISPR 25(常用于汽车器件)和MIL-STD-461G标准的示意图。您可以直接从EMI规格下拉菜单中选择您所需的标准。

在图6的例子中,滤波器电感的值设置为0,以显示在没有输入滤波器的情况下的EMI结果。EMI尖峰在基波和谐波频率下出现,都超过了所示的CISPR 25标准的限值,导致EMI与规格原理图显示屏上出现红色警示。

设置EMI滤波器参数

在选择所需的EMI标准后,你可以输入所需的EMI裕量,即所选标准限值与基波频率峰值之间的距离。一般可以选择3 dB至6 dB裕量。在这些选项中,LTpowerCAD程序利用给定的滤波器电容Cf和电源工作条件计算出建议的滤波器电感值L¬¬-sug.,显示在LTpowerCAD黄色单元格中。你可以在L单元格中输入一个略大于建议值的电感值,以满足EMI限值和所需的裕量。

在本例中,图7显示设计工具建议采用0.669 µH滤波器电感,用户实际输入0.72 µH电感,以满足其要求。关于滤波器带来的好处,可以通过比较带滤波器时的结果和不带滤波器时的结果得出。打开显示不带输入滤波器的EMI选项,你可以查看叠加在不带滤波器的灰色示意图上方的滤波结果。

在选择滤波器电容Cf时,有一个重要细节需要注意。X5R、X7R等类型的介电材料的多层陶瓷电容(MLCC),其电容值会随着直流偏置电压的增大而显著下降。因此,除了LTpowerCAD的标称电容C(nom)之外,用户还应该在施加直流偏置电压(VINA或VINB)的情况下输入实际电容值。

关于降额曲线,请参考电容供应商提供的数据手册。如果所选的MLCC电容来自LTpowerCAD库,程序会自动估算该电容与直流偏置电压相关的降额。

另外,我们也需要考虑输入滤波器电感值的变化。电感随直流电流饱和时,会产生非线性电感。随着负载电流增加,电感值可能明显下降,特别是对于铁氧体磁珠类型电感而言。用户应输入实际电感,以生成准确的EMI预测。

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图7.选择滤波器电感值以满足EMI标准限值。

检查滤波器衰减增益

在图7所示的带输入滤波器的EMI图中,LC输入滤波器在245 kHz处谐振(频率低于 电源开关频率),产生了一个噪声尖峰。图8所示为滤波器衰减增益图,该图代替了LTpowerCAD EMI窗口(点击滤波器衰减选项卡)中的EMI结果,用于显示滤波器在245 kHz时的谐振衰减增益。

在某些情况下,LC谐振峰值可能导致噪声超过EMI标准。为了衰减这个谐振峰值,可以添加一对额外的阻尼组件CdA和RdA ,与滤波器电容Cf并联。除了显示衰减图之外,LTpowerCAD还简化了选择这些组件的过程。一般情况下,选择值为真实滤波器Cf值的2到4倍的阻尼电容CdA。LTpowerCAD会提供建议的阻尼电阻RdA值,以降低谐振峰值。

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图8.EMI滤波器衰减增益(在LISN端有和没有阻尼)。

检查滤波器阻抗和电源输入阻抗

在开关模式电源前添加一个输入EMI滤波器时,滤波器的输出阻抗ZOF会与电源的输入阻抗ZIN,相互作用,可能会造成电路振荡。为了避免这种不稳定的情况,EMI滤波器的输出阻抗幅度ZOF, 应该远低于电源输入的阻抗幅度ZIN, ,并留有足够的裕量。图9显示ZOF和ZIN的概念以及它们之间的稳定裕量。

为了简化分析过程,可以将具备高反馈环路带宽的理想电源用作恒定功率负载;也就是说,输入电压VIN乘以输入电流的值是恒定的。随着输入电压增大,输入电流减小。因此,理想电源具有负输入阻抗ZIN = –(VIN2)/PIN.

T为了便于设计输入滤波器,LTpowerCAD在图10所示的阻抗图中显示滤波器输出阻抗ZOF和电源输入阻抗ZIN 。注意,电源输入阻抗是输入电压和输入功率的函数。最坏的情况(即最低的阻抗电平)在VIN最小、PIN最大时发生。

如图10所示,EMI滤波器输出阻抗在滤波器电感Lf和电源输入电容CIN引起的谐振频率上出现峰值点。在一个好的设计中,这个峰值的幅度应该低于最坏情况下ZIN引起的谐振频率上出现峰值点。在一个好的设计中,这个峰值的幅度应该低于最坏情况下CdB和电阻RdB,与电源输入电容CIN并联。这种CIN侧阻尼网络可以有效降低滤波器ZOUT峰值。LTpowerCAD EMI工具提供了建议的CdB和RdB 参数。

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图9.检查EMI滤波器输出阻抗和电源输入阻抗是否稳定。

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图10.LTpowerCAD EMI滤波器阻抗图(有阻尼和无阻尼)。

LTpowerCAD EMI滤波器工具的精度

为了验证LTpowerCAD EMI滤波器工具的精度,我们进行了基于真实的电路板在EMI实验室的实际测试比较。图11所示为使用经过修改的LTC3851降压型电源演示板(采用750 kHz、12 V输入电压、1.5 V输出电压和10 A负载电流)实施真实测试得出的结果和LTpowerCAD预测EMI噪声之间的比较。如图11所示,测试得出的EMI数据和使用LTpowerCAD模拟得出的EMI数据的低频段噪声峰值是大致匹配的。实际测试的峰值比模拟得出的EMI峰值略低几个dB。

在更高频率段,不匹配的幅度更大,但是如前所述,由于DM传导EMI滤波器的大小主要由低频率噪声峰值决定,所以这些高频段的误差并不太重要。很多高频段误差是由电感和电容寄生模型的精度导致,包括PCB布局寄生值;就目前而言,基于PC的设计工具还达不到这种精度。

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图11.真实的板实验测量得出的EMI和LTpowerCAD估算的EMI(12 VIN至1.5 VOUT/10 A 降压示例)。

值得强调的是,LTpowerCAD过滤器工具是一款估算工具,可用于提供EMI滤波器初始设计。要获得真正准确的EMI数据,用户还需要构建电源电路板原型,并进行真实的实验测试。

总结

许多行业使用的系统都需要越加严格地抑制电磁噪声干扰。因此,工业界针对EMI噪声发布了许多明确的标准。与此同时,开关模式电源的数量不断增加,且安装位置更加靠近敏感电路。开关模式电源是系统中EMI的主要来源,因此在很多情况下都需要量化其噪声输出并降低。问题是,EMI滤波器的设计和测试往往是一个反复尝试的过程,非常耗费时间和设计成本。

为了解决这个问题,LTpowerCAD工具可以让设计人员能够在实施真实的设计和测试前,使用基于计算机的预测模拟,从而极大地节省时间和成本。易于使用的EMI滤波器工具可以预估差模传导EMI滤波器参数,包括可选的阻尼网络,以最大程度降低EMI,同时保持稳定的电源。实验测试结果验证了使用LTpowerCAD预测结果的准确性。

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