多级EMI滤波器优化设计方法研究

卜俊怡 刘佳祺 季清

摘 要：在设计开关电源产品的EMI滤波器时，既需要保证产品满足电磁兼容标准的要求，又需要考虑滤波器的体积、重量和成本问题。典型的EMI滤波器一般采用单级结构，有时为了获得更好的滤波效果，也会采用多级滤波结构。本文以共模滤波器为例，将铜材成本作为主要考虑，研究了多级EMI滤波器的优化设计方法，为单级和多级滤波器的选择提供了设计依据。

关键词：传导电磁干扰；EMI滤波器；共模电感

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.115

0 引言

在设计开关电源的EMI滤波器时，一般采用单级滤波器结构，有时也选用多级EMI滤波器以获得更好的滤波效果。事实上，在采用单级滤波器就能够满足标准要求的情况下，选用多级滤波器反而增加了不必要的成本，降低了功率密度。目前，电源设计人员仍然缺乏单级与多级滤波器的选择依据。如何配置多级滤波器的元件参数，才能够利用有限的资源实现最优的滤波效果，也是多级滤波器设计需要考虑的问题。

本文首先以单级共模滤波器为例，介绍EMI滤波器的重要性能指标衰减特性的概念及测试方法。其次，结合文献[1]–[5]的研究内容，总结了EMI滤波器设计的经典方法。然后通过理论计算与分析，对比单级与两级共模滤波器的性能差别，同时给出优化设计中的注意事项，指出转折频率与元件取值以及谐振频率与元件取值的关系。最后，本文以最小用铜量实现最优滤波效果为目标，给出了单级和两级共模滤波器的选择依据。

1 传导电磁干扰测试原理

所有的电源产品在进入市场之前，都必须通过传导干扰的测试认证。在产品中加入EMI滤波器的目的是保证电源产品满足相应传导干扰标准的要求。图1给出了传导电磁干扰测试的基本原理图，其中LISN（Line Impedance Stabilization Network，LISN）为线性阻抗稳定网络，EUT（Equipment Under Test，EUT）为被测试的设备。

在设计EMI滤波器时，通常需要将传导干扰分为共模干扰和差模干扰进行测试[6]，然后分别设计共模和差模滤波元件。图2给出了分离测试的基本原理。其中，共模干扰电流iCM和差模干扰电流iDM分别定义为在L线和N线上的同相电流和反相电流。相应的，iCM和iDM在50Ω阻抗上产生的压降VCM和VDM定义为共模电压和差模电压。

2 EMI滤波器的衰减特性

图3为常用单级EMI滤波器的拓扑结构，其中LCM为共模电感，CY为共模电容，LDM为差模电感，CX1和CX2为差模电容，LISN可以简化为50Ω电阻，如图3中虚线框内所示。差模电容可以在L線和N线之间提供低阻抗滤除差模干扰，对共模干扰只有平衡作用[7]。图4给出了共模滤波器和差模滤波器的等效电路。

文献[1]，[2]和[3]中讨论了干扰源阻抗对EMI滤波器设计的影响。文献[8]和[9]的研究提供了EMI滤波器高频性能的优化设计方法。

以Boost电路为例，如图5所示，开关管QB漏极与源极间电压有较大的dV/dt，通过漏极与散热片之间的寄生电容Cp1引起共模干扰。若将QB漏极与源极间电压看作是电压干扰源，则可以建立共模干扰的等效电路[10]。

用诺顿等效电路表示干扰源时，电流干扰源ICM=VDS·jωCp2与源阻抗ZSCM=1/（jωCp2）并联，如图7所示。

由图15可以看出，可以将36.12dB的直线称作是单级和两级滤波器设计的“等用铜线”。直线36.12dB以上，两级滤波器的衰减小于等用铜的单级滤波器，而直线36.12dB以下，两级滤波器的衰减大于等用铜的单级滤波器。

6 总结

本文主要研究了单级和多级滤波器的优化选择方法。以共模滤波器的用铜成本作为主要考虑依据时，若单级和两级滤波器的参考频率点相同，则可以根据该点出现在36.12dB直线的上方还是下方，来决定使用单级还是两级滤波器。出现在直线上方时，由于等用铜量情况下单级的衰减大于两级，选用单级滤波器可以节约铜材；出现在直线下方时，等用铜量情况下两级的衰减大于单级级，选用两级级滤波器可以节约铜材；参考频率点需要的衰减等于36.12dB时，用单级和两级滤波器用铜相等。以体积和其它成本作为主要考虑依据时，可以参考本文的优化方法，设定选择依据。

参考文献：

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[2]Qu S，Chen D. Mixed-Mode EMI noise and its implications to filter design in offline switching power supplies[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17（04）：502-507.

[3]Ye S，Eberle W，Liu Y F.A novel EMI filter design method for switching power supplies.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（09）：1668-1678.

[4]陈勇志.开关电源的电磁干扰滤波器设计[J].微计算机信息，2007，23（4-2）：302-303.

[5]王树民，张东来，吕明海.一种实用的开关电源EMI滤波器的设计方法[J].电力电子技术，2007，41（06）：16-18.

[6]沈雪梅，赵阳，李世锦，陈昊.传导性电磁干扰噪声分离网络识别特性的实验与仿真研究[J].南京师范大学学报，2005，5（03）：16-19，49.

[7]Wang S，Lee F C.Investigation of the transformation between differential-mode and common-mode noises in an EMI filter due to unbalance.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2010，52（03）：578-587.

[8]陈恒林，钱照明，Zeng Zhaohui，Christian Wolf.布局对EMI滤波器性能影响的研究[J].电工技术学报，2008，23（08）：7-12，35.

[9]Wang S，Lee F C，Van Wyk J D.A study of integration of parasitic cancellation techniques for EMI filter design with discrete components.IEEE Transactions on Power Electronics， 2008，23（06）：3094-3102.

[10]季清，阮新波，叶志红.电流临界连续模式的Boost PFC变换器传导电磁干扰特性[J].中国电机工程学报，2013，33（24）：32-41.