传导EMI抑制-π型滤波器设计
1 传导电磁滋扰简介
在开关电源中,开关管周期性的通断会爆发周期性的电流突变(di/dt)和电压突变(dv/dt),周期性的电流转变和电压转变则会导致电磁滋扰的爆发。
图1所示为Buck电路的电流转变,在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的。这些突变电流导致了电磁滋扰的爆发。
图 1 Buck电路中的电流转变
图 2 Buck上管电流的频域剖析
2 π型滤波器设计原理
图3为典范传导EMI测试架构,?DUT为待测装备。LISN主要用测试中来隔离电网可能导致的高频滋扰,从而使得EMI丈量到DUT爆发的真正EMI滋扰。π型滤波器由滤波电感Lf,滤波电容Cf和阻尼电容Cd组成。Cin是DCDC的输入电容。π型滤波器是用来过滤DUT爆发的EMI,以阻止DUT对电网的电磁滋扰。
图 3 典范π型滤波器原理图
π型滤波器设计办法如下:
1)?盘算衰减倍数
在设计π型滤波器时,首先要确定衰减量|Att|_dB。若是已经测过没加π型滤波器的传导EMI,只需用基波处最大滋扰值Vnoise减去响应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax即可。
|Att|_dB=V_noise-V_max
若是未测过没加π型滤波器的传导EMI,可以通过以下公式对衰减量举行估算。以下公式通过对开关电流举行傅里叶剖析,获得预估的基波滋扰量,然后再减去响应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax,获得预估衰减量。
|Att|_dB=20log?((I/(π^2fsC_IN)sin?πD)/1uV)-V_max
其中:
??Vmax是EMI标准允许的最大dBuV噪声;
??CIN是已有输入电容;
?? D是占空比;I是输出电流;
??fs是开关频率。
2)?选择滤波电感Lf感值
电感Lf取值通常在1uH到10uH之间?梢云局で樾尉傩械绺兄档难∪。若是用于大电流应用中,可选取小电感来减小消耗。
3)?盘算滤波电容Cf容值
电容Cfa值用于确保EMI滤波器的谐振频率至少低于十分之一开关频率。Cfb值用于确保EMI滤波器有足够的衰减量。选取Cfa和Cfb中更大的值作为滤波电容Cf容值。
C_fa=C_IN/(C_INL_f〖(2πfs/10)〗^2-1)
C_fb=1/L_f(〖〖(10)〗^(|Att|_dB/40)/2πfs)〗^2
4)?盘算阻尼电容Cd容值
滤波电感Lf和滤波电容Cf组成的LC滤波器对传导噪声举行有用的抑制。同时,滤波电感Lf和输入电容CIN也组成了一个LC滤波电路。这个LC滤波电路的输出阻抗(即π型滤波器在VIN点的阻抗)必需足够小,才华使π型滤波器不会显着影响开关电源的环路增益。LCR电路的Q值为L/C/R。要使π型滤波器对开关电源的环路增益尽可能小,则需增添阻尼电容Cd和ESRd来降低LC的Q值。图4展示了差别Cd值对应的增益曲线,从中可以看出增添Cd可以使Q值减小。图5展示了差别ESR值对应的增益曲线,从中可以看出ESR的增添可以使Q值减小。
图 4 LC滤波中电容Cd对Q值的影响
图 5 LC滤波中电容Cd的ESR取值对Q值的影响
关于Cd和ESRd值凭证以下公式举行取值:
C_d≥4*C_IN
〖ESR〗_d=√(L_f/C_IN)
阻尼电容Cd一样平常建议使用有较大等效串联电阻(ESR)的电解电容。除上述缘故原由之外,Cd的ESR可阻止DCDC输入爆发振荡。DCDC在输入电压增添的时间,输入电流是减小的,因此可以等效为负阻抗电路。一个负阻抗电路与LC滤波器是十分容易振荡的,因此需要Cd有一定的ESR来阻止输入爆发振荡。
3 π型滤波器应用实列剖析
图6所示是尊龙凯时-人生就是博科技SCT2450在车载导航产品上无π型滤波器的传导测试效果, 传导滋扰超标主要在开关频率(fsw=850kHz)及其谐波频率处。由于
传导EMI超标,需要使用π型滤波器举行优化。
图 6?无π型滤波器的传导测试效果
以下为π型滤波器盘算办法:
开关频率为850KHz,输入为12V,输出为5V,3A。输入电容为20uF。EN 55032在基波处的限制为45dBuV。已知量总结如下:
D=41.67%,fs=850KHz,CIN=20uF,I=3A,Vmax=45dBuV
1)?盘算衰减倍数
由图6可知基波的滋扰最大值为90dBuV。我们目的通过π型滤波器将滋扰降为Vmax=45dBuV。因此衰减倍数为:
|Att|_dB=90dBuV-45dBuV=45dBuV
2)?选择滤波电感Lf感值
为镌汰电感带来效率消耗,选取Lf=1.5uH。
3)?盘算滤波电容Cf容值
C_fa=C_IN/(C_INL_f〖(2πfs/10)〗^2-1)=2.64uF
C_fb=1/L_f(〖〖(10)〗^(|Att|_dB/40)/2πfs)〗^2=4.15uF
选取Cf=4.7uF.
4)?盘算衰减电容Cd容值
Cd≥4*CIN=80uF;
〖ESR〗_d=√(L_f/C_IN)=0.273Ω
此处选用Cd=100uF,选用具有较大ESR的电解电容。
图7为使用上述参数的π型滤波器的仿真效果?梢钥闯鲈诳仄德蚀,π型滤波器对滋扰信号有高于40db的抑制效果。
图 7?π型滤波器增益曲线仿真
?图8为使用上述参数的π型滤波器的现实测试效果?梢钥闯靓行吐瞬ㄆ鞫源甲倘庞邢宰诺母纳菩Ч。
图 8 SCT2450 加π型滤波器后的传导测试效果
4 引用