電源EMI濾波器插入損耗的研究

從抗電磁干擾角度來(lái)說(shuō)，電源EMI濾波器實(shí)際是一個(gè)只允許直流和工頻通過(guò)的低通濾波器，即從零頻（直流）至截止頻率（工頻）的通帶內以最小衰減通過(guò)電流（或電壓）。對電磁干擾的阻帶，要求盡可能高的衰減，過(guò)渡帶曲線(xiàn)盡可能陡（即過(guò)渡帶盡可能窄）。由于EMI濾波器衰減的定義與傳統濾波器不同，所以，傳統濾波器的各種傳遞函數表達式和現成的數據及圖表均不能直接用于EMI濾波器的設計。EMI濾波器的衰減用插入損耗來(lái)表示，本文將探討電源EMI濾波器插入損耗的計算，以及影響插入損耗的各種原因和改進(jìn)方法。
　　
EMI濾波器插入損耗的理論分析
EMI濾波器插入損耗IL定義如下：
IL=10log(P1/P2)=20log(U1/U2) (1)
式中，P1和U1分別表示當EMI濾波器未插入前（圖1（a）），從噪聲源us傳遞到負載RL的功率和電壓；P2和U2分別表示當EMI濾波器接入后（圖1(b)），從噪聲源傳遞到負載的功率和電壓。

圖1 EMI濾波器接入前、后的電路

理論分析EMI濾波器的IL時(shí)，把濾波器網(wǎng)絡(luò )用A參數來(lái)表示：
(2)

則可求得EMI濾波器的IL表達式為：
IL=20log|(a11RL+a12+a21RSRL +a22RL)/(RS+RL)| (3)

圖2為高性能的EMI濾波器。其中，E表示共模信號輸入端。圖2中網(wǎng)絡(luò )的共模等效電路如圖3（a）所示，差模等效電路如圖3（b）所示。圖3（b）中Le1、Le2、Cxi，i=1，2，3，分別表示等效電感和電容?！?/p>

　　圖2 EMI濾波器網(wǎng)絡(luò )

圖3 圖2網(wǎng)絡(luò )的共模與差模等效電路

由圖3（a）并根據式（4）可求得共模插入損耗為：
ILCM=10lg|(RS+RL-ω2CyD12+ω2D22)|-20lg(RS+RL) (4)
式中，D1=L1RL+L2RS；D2=L1+L2-ω2L1L2Cy+CyRSRL

由圖3（b）同理可求得差模插入損耗為：
ILDM= 10lg|(B12+B2+RSRLB3)|-20lg(RS+RL) (5)
式中，B1=RL(1-ω2Cx2Le2)-ω2Cx2Le1(1-ω2Cx3Le2)+RS(1-ω2Cx2Le2)-ω2Cx1Le2-ω2Cx1Le1(1-ω2Cx2Le2)；B2=ωLe2+ωLe1(1-ω2Cx2Le2)；B3=ωCx3+ωCx2(1-ω2Cx3Le2)+ωCx1(1-ω2Cx3Le2)Cω3Cx1Cx3Le1-ω3Cx1Cx2Le1(1-ω2Cx3Le2)。

影響插入損耗的各種原因
1 RS與RL對插入損耗的影響及改進(jìn)方法
一般設計時(shí)，令RS/RL=50Ω/50Ω，這有利于簡(jiǎn)化EMI濾波器的理論計算（把RS、RL看成常數而不是變量），但實(shí)際運用RS/RL=50Ω/50Ω的概率很少。這顯然脫離了實(shí)際情況，其理論分析與實(shí)際插入損耗相差較大。因此，CISPR出版物4.2.2.2建議：除RS/RL=50Ω/50Ω測試方法外，另外補充RS/RL=0.1Ω/100Ω和RS/RL=100Ω/0.1Ω兩種極端情況的測試方法?？梢岳斫鉃閹椭脩?hù)了解該EMI濾波器在兩種極端情況下，其插入損耗有效范圍是否滿(mǎn)足要求。

2 分布參數對插入損耗的影響
在低頻段，電感器和電容器的分布參數可忽略不計，但在較高的頻段工作時(shí)，它們的分布參數對IL的影響就會(huì )顯示出來(lái)。而電容器中的分布電感，元件與金屬外殼之間，元件與元件之間，印刷電路板布線(xiàn)等均存在分布參數。這些分布參數會(huì )加入電路運算。解決元件分布參數對IL的影響有下列幾種方法：

（1）選擇優(yōu)質(zhì)元件；（2）估計元件分布參數，建立EMI濾波器高頻等效模型，并把元件分布參數參加濾波器設計；（3）如果IL達不到要求，可以增加濾波器的級數；（4） 通過(guò)元件布局、印刷電路板設計有利于電磁兼容等方法來(lái)解決。

3 電感材料性能對IL的影響
在高頻段，電感器采用的納米晶體軟磁性材料的頻響不如猛鋅鐵氧體軟磁性材料的頻響。因此，在高頻段，電感器應采用錳鋅鐵氧軟磁性材料，這有利于高頻段加大插入損耗，即提高濾波器對高次諧波的仰制效果。但是，由于納米晶體軟磁材料具有很高的導磁率（μ0可達到13.5萬(wàn),μe可達到17.9萬(wàn)）和高飽和磁感特性，這些特性指標遠優(yōu)越鐵氧體和鈷基晶體軟磁性材料，因此，采用納米晶體材料有利于低頻段的共模插入損耗，即減少通帶的插入損耗。

4 RS、RL與EMI濾波器結構的選擇關(guān)系
由式（4）可知：IL與RS、RL有直接關(guān)系，即使EMI濾波器設計達到IL指標，對于不同RS、RL，其結構如果選擇不當，也不能達到較好的濾波效果。因此，根據RS、RL的實(shí)際情況，選用EMI濾波器結構應遵循下列兩點(diǎn)原則：