EMC小知识学习简笔（二）

0 前言
上次聊到了emc的三要素，那这次主要学习了一些基础的解决方案跟大家分享。EMC主要是解决干扰问题，目前主要的手段有：屏蔽、滤波、接地等方案，本次主要分享的是滤波。1 滤波器介绍
滤波 (Wave filtering)：是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。如传导、辐射超标，是某个电缆的对外传导、辐射的，那就可以在敏感信号处进行滤波。

        实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制）。频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

滤波作用：切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，可与屏蔽共同构成完善的干扰防护。


2 滤波器重要指标-插入损耗
插入损耗：插入损耗是衡量滤波电路滤波效果的指标，通常以分贝数或频率特性曲线来表示。它是指滤波电路接入电路前后，电源传给负载的功率比或端口电压比。
IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB)
其中 Po、P2、 Vo、V2分别表示滤波电路接入前后负载端的功率和电压。



式(1) 中，RL、和 RS，分别表示源阻抗和负载阻抗，a11、a12、a21、a22表示滤波器网络的A参数，更详细的计算方法可以参考文献《EMI电源滤波器的插入损耗分析》。
这里举个例子，如下图的差模滤波方案，假设源端阻抗和负载阻抗均为50欧姆，电源输入1V，滤波电容的阻抗 1 欧姆，则未加滤波器前，V0=0.5V，加入滤波器后，V2为滤波阻抗和负载阻抗并联后与源阻抗串联分压即V2=0.019V，则插入损耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

假设源端阻抗和负载阻抗均为 1 欧姆，则未加滤波器前，V0=0.5V，加入滤波器后，V2为滤波阻抗和负载阻抗并联后与源阻抗串联分压即V2=0.33V，则插入损耗=20lg0.5/0.33=3.6db。
根据公式和示例，可以知道 EMI 滤波器电路在不同的源与负载阻抗的情况下，滤波性能有很大的差异。在一般的滤波器产品说明书中，提供的插入损耗值都是在源阻抗和负载阻抗均为50欧姆的情况下得到的。

在实际使用中，滤波器的端阻抗随着工作环境的变化而变化，因而对滤波器插入损耗的影响也很大 ，滤波电路也是如此。设计时要求滤波器的插入损耗越大越好，整改时可以根据超标频率选择合适的滤波器。
3 滤波器类型和选型特征
滤波器根据滤波频段可以分为低通、高通、带通、带阻等，在EMC问题中，最常用的为低通滤波器。


低通滤波器常见的网络拓扑如下，实际使用中推荐使用 PI 型或者 T 型滤波网络。主要原因是根据插损的计算方法，在电感靠近低阻，电容靠近高阻时滤波效果最佳。而实际使用时往往不能准确识别源端和负载端的高低组状态，所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。

举例如下，在没有经过CL滤波前，电压基本都在负载电阻上即1V，加入CL滤波后，负载电压为滤波电容上电压的一半为0.25V，插损=20lg1/0.25=12db。

上例的基础上，调换CL的位置，如下图，在没有经过CL滤波前，电压基本都在负载电阻上即1V，加入滤波后，负载电压为滤波电容上电压，为0.001V，插损=20lg1/0.001=60db。


元器件没有变，只是变换位置，滤波效果的差异很大，原理即：电容靠近高阻，电感靠近低阻才更有效。实际应用选择：在不知道源端和负载的阻抗高低的情况下，比较合理的就是pi网络和T型网络。针对低频，通常采用电容+电感+电容滤波方式，高频采用电容+磁珠+电容滤波方式。如PI型，不管ZS、ZL是高还是低，并联电容后都是低，中间电感靠近低阻为有效状态。4 滤波器案例：电源的EMC三要素分析
对于EMC问题，我们在原理图阶段就要进行滤波设计，其要点就是从EMC的三要素出发：干扰的源头：降低强度敏感电路：提高抗干扰能力干扰耦合路径：降低路径效率
下面以开关电源为例，分析其滤波设计方案。开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点而迅速发展起来。由于开关电源工作过程中的高频率、高di/dt和高dv/dt使得电磁干扰问题非常突出。如何降低甚至消除开关电源的 EMI 问题已经成为开关电源设计师以及电磁兼容(EMC)设计师非常关注的问题。


开关电源的干扰，既有共模干扰，也有差模干扰。
对于差模干扰：其存在于L-N线之间，电流从 L 进入，流过整流二极管正极，再流经负载，通过热地，到整流二极管，再回到N。在这条通路上，有高速开关的大功率器件，有反向恢复时间极短的二极管，这些器件产生的高频干扰，都会从整条回路流过，从而被接收机检测到，导致传导超标。
对于共模干扰：共模干扰是因为大地与设备电缆之间存在寄生电容，高频干扰噪声会通过该寄生电容，在大地与电缆之间产生共模电流，从而导致共模干扰。


根据干扰产生的原因和经验，低频如150kHz-1.5MHz，以差模为主，1.5MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后高频部分基本上是共模干扰为主。我们先以差模干扰为例展示干扰的源头、耦合路径和测试的敏感电路。从干扰源头看，开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。


从耦合路径看，待测设备（EUT）的电源端口是干扰源，测试仪器为敏感电路，则从仪器的连接关系看，电源端口的干扰经过AC头接入了LISN的采样电阻（50欧姆），再经过测试仪器内部的采样电阻50欧姆，整个采样电阻接近100欧姆。当采样电阻上的电压超标，则传导的干扰超标。


进一步转化为如下电路模型，来看干扰的通路。噪声主要由 di/dt 引起，通过寄生电感，在火线和零线之间的回路中传播，在两根线之间产生电流 ldm ，不与地线构成回路。

由 Vdm 驱动的 Idm 导致输入 AC 端口差模干扰，LISN +仪器的采样阻抗为 100欧姆，开关电源的接口没有滤波时，则很容易传导测试超标，干扰都在敏感设备上（采样电阻为高阻，VDM的ZC+ESR为低阻）。

干扰电压幅度为：Vdm：



    这种情况下，针对电源口的EMC滤波就可以考虑电容方案，接口加差模滤波电容，C1通常为100nF~2.2uF的聚醋X2电容。


X电容，常用做抑制电源电磁干扰，一般安装到电源火线与零线之间，而且起到的作用都是差模滤波。X1电容耐电压更高，在一些更高电压的电路中要使用X1安规电容，X1 >2.5kV ≤4.0kV ；X2 ≤2.5kV。


电容容值选型原则：根据电容的阻抗-频率特性曲线进行选型，在需要滤波的频点上，让电容的阻抗尽可能小，即让干扰电流更多的流向大地，而不是流经测试仪器的采样电阻。因此根据差模干扰为低频干扰，频段在 150kHz-1.5MHz，可选100nF~2.2uF电容，再结合耐压确认电容型号。




假设传导测试时，超标比较多，则考虑PI型滤波器。L1，L2，C1，C2 构成低通 PI 型滤波器，L1、L2通常为100 ~300uH铁粉芯电感，也可由共模电感的漏感形成，C1，C2通常为 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2电容。


4 结论
       解决EMI问题从源头考虑进行滤波，效果更好，如开关电源，从端口进行传导滤波。设计滤波时，需要针对传导干扰的特性，有针对性进行滤波器件选择。并且遵循电容靠近高阻，电感靠近低阻的原则，才能获取较好的滤波效果。

通常在传导测试中，首先分析干扰性质，通常低频超标的滤波方案，主要电容和PI滤波电路，也可以考虑差模电感，在开关电源设计前需要增加差模滤波电路。

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