電源EMI濾波器插入損耗的研究

從抗電磁干擾角度來說，電源EMI濾波器實際是一個只允許直流和工頻通過的低通濾波器，即從零頻（直流）至截止頻率（工頻）的通帶內(nèi)以最小衰減通過電流（或電壓）。對電磁干擾的阻帶，要求盡可能高的衰減，過渡帶曲線盡可能陡（即過渡帶盡可能窄）。由于EMI濾波器衰減的定義與傳統(tǒng)濾波器不同，所以，傳統(tǒng)濾波器的各種傳遞函數(shù)表達式和現(xiàn)成的數(shù)據(jù)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，把濾波器網(wǎng)絡用A參數(shù)來表示：
(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

圖3 圖2網(wǎng)絡的共模與差模等效電路

由圖3（a）并根據(jù)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方法
一般設計時，令RS/RL=50Ω/50Ω，這有利于簡化EMI濾波器的理論計算（把RS、RL看成常數(shù)而不是變量），但實際運用RS/RL=50Ω/50Ω的概率很少。這顯然脫離了實際情況，其理論分析與實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。可以理解為幫助用戶了解該EMI濾波器在兩種極端情況下，其插入損耗有效范圍是否滿足要求。

2 分布參數(shù)對插入損耗的影響
在低頻段，電感器和電容器的分布參數(shù)可忽略不計，但在較高的頻段工作時，它們的分布參數(shù)對IL的影響就會顯示出來。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，印刷電路板布線等均存在分布參數(shù)。這些分布參數(shù)會加入電路運算。解決元件分布參數(shù)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(shù)，建立EMI濾波器高頻等效模型，并把元件分布參數(shù)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(shù)；（4） 通過元件布局、印刷電路板設計有利于電磁兼容等方法來解決。

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,μe可達到17.9萬）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系
由式（4）可知：IL與RS、RL有直接關系，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(jù)RS、RL的實際情況，選用EMI濾波器結構應遵循下列兩點原則：