電源EMI濾(lv)波(bo)器插入損耗的研究(jiu)
湖南(nan)工學(xue)院(yuan) 李(li)旭華(hua) 胡紅(hong)艷(yan)
從抗電(dian)磁(ci)幹擾角度來說，電源EMI濾(lv)波(bo)器實(shi)際(ji)是(shi)個只(zhi)允許(xu)直(zhi)流(liu)和(he)工頻通過(guo)的低通(tong)濾波(bo)器，即從零(ling)頻（直(zhi)流(liu)）至(zhi)截(jie)止(zhi)頻(pin)率（工(gong)頻）的通帶(dai)內以(yi)zui小(xiao)衰(shuai)減(jian)通過(guo)電(dian)流(liu)（或(huo)電(dian)壓(ya)）。對電磁(ci)幹(gan)擾的阻(zu)帶(dai)，要(yao)求(qiu)盡可能的衰(shuai)減(jian)，過渡(du)帶(dai)曲線(xian)盡可能陡(dou)（即過渡(du)帶盡可能窄(zhai)）。由(you)於EMI濾(lv)波(bo)器衰(shuai)減(jian)的定(ding)義與傳統濾波(bo)器不同(tong)，所以(yi)，傳統濾(lv)波(bo)器的傳遞(di)函數表達式和(he)現成的數據(ju)及(ji)圖表(biao)均(jun)不能直(zhi)接(jie)用(yong)於(yu)EMI濾(lv)波(bo)器的設(she)計(ji)。EMI濾(lv)波(bo)器的衰(shuai)減(jian)用插(cha)入損耗來表示(shi)，本(ben)文(wen)將探(tan)討電源EMI濾(lv)波(bo)器插入損耗的計(ji)算，以及(ji)影(ying)響插入損耗的原因(yin)和(he)改(gai)進(jin)方法。 EMI濾波(bo)器插入損耗的理論分(fen)析(xi)
EMI濾波(bo)器插入損耗IL定(ding)義如下：
IL=10log（P1/P2）=20log（U1/U2） （1）
式中(zhong)，P1和(he)U1分別表示(shi)當(dang)EMI濾波(bo)器未(wei)插入前（圖1（a）），從(cong)噪(zao)聲源us傳(chuan)遞(di)到負載(zai)RL的功(gong)率和(he)電壓(ya)；P2和(he)U2分別表示(shi)當(dang)EMI濾波(bo)器接(jie)入後(hou)（圖1（b）），從(cong)噪(zao)聲源傳(chuan)遞(di)到負載(zai)的功(gong)率和(he)電壓(ya)。
圖1 EMI濾(lv)波(bo)器接(jie)入前、後(hou)的電路(lu)
理論分(fen)析(xi)EMI濾波(bo)器的IL時，把(ba)濾波(bo)器網絡用(yong)A參(can)數來表示(shi)：
（2）
則(ze)可求(qiu)得(de)EMI濾(lv)波(bo)器的IL表達式為(wei)：
IL=20log|（a11RL+a12+a21RSRL +a22RL）/（RS+RL）| （3）
圖2為(wei)的EMI濾波(bo)器。其中(zhong)，E表示共(gong)模(mo)信號(hao)輸(shu)入端(duan)。圖2中(zhong)網絡的共模(mo)等效電(dian)路(lu)如圖3（a）所示(shi)，差模(mo)等效電(dian)路(lu)如圖3（b）所示(shi)。圖3（b）中(zhong)Le1、Le2、Cxi，i=1，2，3，分別表(biao)示等(deng)效電(dian)感和(he)電容。
圖2 EMI濾(lv)波(bo)器網絡
圖3 圖2網(wang)絡(luo)的共模(mo)與差模(mo)等效電(dian)路(lu)
由(you)圖3（a）並(bing)根據(ju)式（4）可(ke)求(qiu)得(de)共(gong)模(mo)插入損耗為(wei)：
ILCM=10lg|（RS+RL-ω2CyD12+ω2D22）|-20lg（RS+RL） （4）
式中(zhong)，D1=L1RL+L2RS；D2=L1+L2-ω2L1L2Cy+CyRSRL
由(you)圖3（b）同(tong)理可求(qiu)得(de)差模(mo)插入損耗為(wei)：
ILDM= 10lg|（B12+B2+RSRLB3）|-20lg（RS+RL） （5）
式中(zhong)，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）–ω3Cx1Cx3Le1-ω3Cx1Cx2Le1（1-ω2Cx3Le2）。
影(ying)響插入損耗的原因(yin)
1 RS與RL對插入損耗的影(ying)響及(ji)改(gai)進(jin)方法
般設(she)計(ji)時(shi)，令(ling)RS/RL=50Ω/50Ω，這有(you)利(li)於(yu)簡(jian)化EMI濾(lv)波(bo)器的理論計(ji)算（把(ba)RS、RL看(kan)成(cheng)常(chang)數而(er)不(bu)是(shi)變(bian)量），但(dan)實(shi)際(ji)運用(yong)RS/RL=50Ω/50Ω的概(gai)率很少(shao)。這顯然(ran)脫(tuo)離了(le)實(shi)際(ji)情況(kuang)，其理論分(fen)析(xi)與實(shi)際(ji)插入損耗相(xiang)差較大(da)。因此(ci)，CISPR出版物4.2.2.2建議(yi)：除RS/RL=50Ω/50Ω測試(shi)方(fang)法外(wai)，另外(wai)補(bu)充RS/RL=0.1Ω/100Ω和(he)RS/RL=100Ω/0.1Ω兩(liang)種情(qing)況(kuang)的測試(shi)方(fang)法。可以理(li)解為(wei)幫助用戶了(le)解該(gai)EMI濾波(bo)器在兩(liang)種情(qing)況(kuang)下，其插入損耗範(fan)圍(wei)是(shi)否要(yao)求(qiu)。
2 分(fen)布(bu)參(can)數對插入損耗的影(ying)響
在低(di)頻(pin)段，電感器和(he)電容器的分布(bu)參(can)數可忽略不(bu)計(ji)，但(dan)在(zai)較(jiao)的頻段(duan)工作時，它(ta)們的分布(bu)參(can)數對IL的影(ying)響就會(hui)顯示出(chu)來。而(er)電(dian)容(rong)器中(zhong)的分布(bu)電感，元件(jian)與金屬(shu)外(wai)殼(ke)之(zhi)間，元(yuan)件(jian)與元(yuan)件之間，印(yin)刷(shua)電路(lu)板(ban)布(bu)線(xian)等均(jun)存在(zai)分布參(can)數。這些分(fen)布參(can)數會(hui)加(jia)入電路運算。解決元件分布參(can)數對IL的影(ying)響有(you)下列(lie)幾種方(fang)法：
（1）選(xuan)擇(ze)元(yuan)件(jian)；（2）估(gu)計(ji)元(yuan)件(jian)分布(bu)參(can)數，建立EMI濾(lv)波(bo)器頻等效模(mo)型(xing)，並(bing)把(ba)元件(jian)分布(bu)參(can)數參(can)加(jia)濾(lv)波(bo)器設(she)計(ji)；（3）如果(guo)IL達不到要(yao)求(qiu)，可(ke)以(yi)增加(jia)濾(lv)波(bo)器的數；（4） 通過元(yuan)件(jian)布局(ju)、印(yin)刷(shua)電路(lu)板(ban)設(she)計(ji)有(you)利(li)於(yu)電(dian)磁(ci)兼容等方(fang)法來解決(jue)。
3 電感材料(liao)能對IL的影(ying)響
在頻(pin)段(duan)，電感器采用的納米晶(jing)體軟磁(ci)材料(liao)的頻響不如猛(meng)鋅鐵氧(yang)體軟磁(ci)材料(liao)的頻響。因此(ci)，在(zai)頻段，電(dian)感器應采用(yong)錳鋅鐵氧(yang)軟磁(ci)材料(liao)，這有(you)利(li)於(yu)頻(pin)段(duan)加(jia)大(da)插入損耗，即提濾(lv)波(bo)器對次諧波(bo)的仰制效果(guo)。但(dan)是(shi)，由(you)於納(na)米晶(jing)體軟磁(ci)材料(liao)具有(you)很的導磁(ci)率(lv)（μ0可(ke)達到13.5萬,μe可達到17.9萬）和(he)飽和(he)磁感特，這些特指(zhi)標遠(yuan)*鐵氧體和(he)鈷基晶(jing)體軟磁(ci)材料(liao)，因(yin)此(ci)，采(cai)用納米晶(jing)體材料(liao)有(you)利(li)於(yu)低(di)頻(pin)段的共模(mo)插入損耗，即減(jian)少通(tong)帶(dai)的插入損耗。
4 RS、RL與(yu)EMI濾(lv)波(bo)器結(jie)構(gou)的選(xuan)擇(ze)關(guan)系(xi)
由(you)式（4）可(ke)知(zhi)：IL與(yu)RS、RL有(you)直(zhi)接(jie)關(guan)系(xi)，即使(shi)EMI濾(lv)波(bo)器設(she)計(ji)達到IL指(zhi)標，對於不(bu)同(tong)RS、RL，其結(jie)構(gou)如果(guo)選(xuan)擇(ze)不(bu)當(dang)，也不能達到較好的濾波(bo)效果(guo)。因(yin)此，根據(ju)RS、RL的實(shi)際(ji)情況(kuang)，選(xuan)用(yong)EMI濾波(bo)器結(jie)構(gou)應(ying)遵循下列(lie)兩(liang)點原(yuan)則(ze)：
（1）EMI濾波(bo)器的串聯電感要(yao)接(jie)到(dao)低(di)阻(zu)抗源（RS小(xiao)）或(huo)低(di)阻(zu)抗負載(zai)（RL小(xiao)）；
（2）EMI濾(lv)波(bo)器的並(bing)聯電容要(yao)接(jie)到(dao)阻(zu)抗源（RS大(da)）或(huo)阻(zu)抗負載(zai)（RL大(da)）。只(zhi)有(you)這樣，EMI濾波(bo)器實(shi)際(ji)工作的IL與理(li)論分(fen)析(xi)才能基本(ben)致。
