通过增加 EMI 滤波器有效降低 EMI

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欢迎收看工业及汽车系统 EMI 电源变换器设计第七讲 通过增加 EMI 滤波器 有效降低 EMI 在非隔离 DCDC 系统 由于电源的输入和输出只有两根线 一个电源一个地 有多少电流电源的输入端流进 就有多少电流从地端流出 它们总是大小相等方向相反的 所以在非隔离 DCDC 系统 传导 EMI 问题主要是差模 EMI 问题 电路的正常工作就 伴随着差模 EMI 的发生 除了输入电容的位置 PCB layout 起不了太大的 抑制传导 EMI 的作用 值得注意的是 差模传导 EMI 只跟输入电流相关 而不是跟输入电压相关 例如在输出相同功率的 buck 电路 由于低输入电压意味着高的输入电流 所以低输入电压的 EMI 问题要比 高输入电压的 EMI 问题严重 那么为什么我们需要关注差模 EMI 这个问题 其实跟我们在问为什么 我们要关注电源的输出电压纹波没有两样 因为在同一个电源 很可能还给其它的用电设备供电 如果 DCDC 输入纹波过大 必然会影响到其他用电设备的正常工作 一个有效的降低输入电压纹波的方法 就是采用输入 EMI 滤波器 对于输入 EMI 滤波器的设计有两个要求 第一要能够把输入纹波降至足够低 以满足行业标准 如针对汽车系统的 CISPR25 或者是针对工业系统的 CISPR22 第二是不能影响开关电源的正常工作 右下图是一个没有 EMI 滤波器 传导 EMI 结果 它并没有通过 CISPR25 的测试 那么我们应该为它设计 一个怎样的 EMI 滤波器 换句话说 我们应该对它的输入纹波进行多大的衰减 才能让它通过 EMI 测试呢 对于传导 EMI 的测试 我们一般采用 线性阻抗稳定网络和频谱分析仪 如果我们已经获得上图的结果 那么问题就相对简单 因为我们只要看看开关频率处的测试结果 再看看你所要通过的测试标准的要求 一相减我们就能够知道该衰减多少了 EMI 的测试结果一般用 dBμV 来衡量 我们知道 20dB 为十倍 40dB 为一百倍 那么 40dBμV 就相当于 1μV 的100倍 也就是 100μV 通常情况下 我们都希望 在正式的 EMI 传导测试之前 就能对 EMI 滤波器有一个初步的设计 这时可以利用下面的方法一 来获得 EMI 滤波器的衰减倍数 我们可以在实验室用示波器的全带宽 去测试输入端的纹波电压 再利用下面的公式把它换成 以 dBμV 作为单位 在跟标准中的要求相减 就可以得到衰减倍数了 而如果我们需要在电路的设计阶段 就需要知道输入滤波器的衰减倍数 我们则可以通过方法二来估算输入电压纹波 DCDC 的输入电流纹波 如右下图的虚线所示 它可以等效为图中的矩形波 我们可以对矩形波进行傅里叶变换 以及第一阶谐波在电容上所产生的电压 来等效 DCDC 的输入电压纹波 这样利用相同的方法 我们就可以得到 EMI 输入滤波器的衰减倍数了 所以只要我们确定了 duty cycle 开关频率以及输入电容 我们就可以通过方法二来估算 EMI 滤波器的衰减倍数 确定了 EMI 滤波器的衰减倍数后 我们就可以着手设计 EMI 滤波器电感电容 EMI 滤波器电感一般选择范围为 1微亨到10微亨 对于大的输入电流 我们一般采取小的电感 以减少其导通损耗 滤波电容选择主要考虑 LC 的谐振频率点的位置 下式中的 Cfa 将 Lc 的谐振频率 定位在开关频率的1/10处 而在谐振频率以外 滤波器的增益将按照 -40dB 每倍频进行衰减 所以按照上面所计算的衰减倍数 我们将可以获得 Cfb 最后的 Cf 选择 应该选择 Cfa 和 Cfb 中较大的一个 输入滤波器的输出阻抗应该比较低 以保证 DCDC 的正常工作 滤波器在谐振频率处的 阻抗一般是比较高的 这样我们就需要 在 B 点增加电解电容 Cd 来降低其输出阻抗 电解电容 Cd 的容值应该 保证在谐振频率处 其阻抗比 ESR 足够的低 同时跟输入电容 Cin 一相比足够的大 一般选取 Cd 大于四倍的 Cin 以上 它的 ESR 由滤波器电感 输入电容 Cin 所决定 这是一个利用了 LM53603 的例子 左边这个图是增加 EMI Filter 之前的测试结果 右边这个图是加入了 EMI Filter 之后的 EMI 测试结果 可以明显地看到 EMI 滤波器 有效地改善了传导 EMI 辐射 通过了测试 这是另外一个利用了 LM5165 的例子 在输入端增加了输入滤波器以及 TVS 管 以保护可能从 VDC 端过来的脉冲电压 大家也可以看到 EMI 滤波器 同样有效地改善了其传导 EMI 的性能 并通过了 CISPR22 的测试 EMI Filter 的计算相对繁琐 TI 的线上工具 Webench 为大家做了这部分的计算 一旦大家完成了电路的设计 你只要选择 EMI 计算辅助 它就可以按照你所选择标准 是 CISPR25 还是 CISPR22 自动为你完成 EMI 滤波器的设计 同样你也可以自己 输入 EMI 滤波器的值 它也会为你计算相应的结果 大大地简化了 EMI 滤波器的设计流程 这一讲就讲到这,谢谢
课程介绍 共计8课时,31分38秒

工业及汽车系统的低EMI电源变换器设计

电源 EMI 汽车 PCB 工业 变换器 系统 DCDC Slew Rate 频率抖动

本课程主要介绍了针对工业及汽车系统的低EMI电源变换器的特点,并主要讲述了常用的降低EMI的方法和技巧
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讲师

讲师: 谭润钦

MCP系统应用经理, 关注于工业和消费类电源管理芯片的定义,设计和支持。

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