EMC小知識學(xué)習(xí)簡筆（二）

0 前言
上次聊到了emc的三要素，那這次主要學(xué)習(xí)了一些基礎(chǔ)的解決方案跟大家分享。EMC主要是解決干擾問題，目前主要的手段有：屏蔽、濾波、接地等方案，本次主要分享的是濾波。1 濾波器介紹
濾波 (Wave filtering)：是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。如傳導(dǎo)、輻射超標(biāo)，是某個電纜的對外傳導(dǎo)、輻射的，那就可以在敏感信號處進(jìn)行濾波。

        實(shí)際上，任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制）。頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個基本特點(diǎn)。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計出來的工程應(yīng)用電路。

濾波作用：切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，可與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。


2 濾波器重要指標(biāo)-插入損耗
插入損耗：插入損耗是衡量濾波電路濾波效果的指標(biāo)，通常以分貝數(shù)或頻率特性曲線來表示。它是指濾波電路接入電路前后，電源傳給負(fù)載的功率比或端口電壓比。
IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB)
其中 Po、P2、 Vo、V2分別表示濾波電路接入前后負(fù)載端的功率和電壓。



式(1) 中，RL、和 RS，分別表示源阻抗和負(fù)載阻抗，a11、a12、a21、a22表示濾波器網(wǎng)絡(luò)的A參數(shù)，更詳細(xì)的計算方法可以參考文獻(xiàn)《EMI電源濾波器的插入損耗分析》。
這里舉個例子，如下圖的差模濾波方案，假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆，電源輸入1V，濾波電容的阻抗 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.019V，則插入損耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.33V，則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。
根據(jù)公式和示例，可以知道 EMI 濾波器電路在不同的源與負(fù)載阻抗的情況下，濾波性能有很大的差異。在一般的濾波器產(chǎn)品說明書中，提供的插入損耗值都是在源阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆的情況下得到的。

在實(shí)際使用中，濾波器的端阻抗隨著工作環(huán)境的變化而變化，因而對濾波器插入損耗的影響也很大 ，濾波電路也是如此。設(shè)計時要求濾波器的插入損耗越大越好，整改時可以根據(jù)超標(biāo)頻率選擇合適的濾波器。
3 濾波器類型和選型特征
濾波器根據(jù)濾波頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻等，在EMC問題中，最常用的為低通濾波器。


低通濾波器常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦拢?strong>實(shí)際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網(wǎng)絡(luò)。主要原因是根據(jù)插損的計算方法，在電感靠近低阻，電容靠近高阻時濾波效果最佳。而實(shí)際使用時往往不能準(zhǔn)確識別源端和負(fù)載端的高低組狀態(tài)，所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。

舉例如下，在沒有經(jīng)過CL濾波前，電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V，加入CL濾波后，負(fù)載電壓為濾波電容上電壓的一半為0.25V，插損=20lg1/0.25=12db。

上例的基礎(chǔ)上，調(diào)換CL的位置，如下圖，在沒有經(jīng)過CL濾波前，電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V，加入濾波后，負(fù)載電壓為濾波電容上電壓，為0.001V，插損=20lg1/0.001=60db。


元器件沒有變，只是變換位置，濾波效果的差異很大，原理即：電容靠近高阻，電感靠近低阻才更有效。實(shí)際應(yīng)用選擇：在不知道源端和負(fù)載的阻抗高低的情況下，比較合理的就是pi網(wǎng)絡(luò)和T型網(wǎng)絡(luò)。針對低頻，通常采用電容+電感+電容濾波方式，高頻采用電容+磁珠+電容濾波方式。如PI型，不管ZS、ZL是高還是低，并聯(lián)電容后都是低，中間電感靠近低阻為有效狀態(tài)。4 濾波器案例：電源的EMC三要素分析
對于EMC問題，我們在原理圖階段就要進(jìn)行濾波設(shè)計，其要點(diǎn)就是從EMC的三要素出發(fā)：干擾的源頭：降低強(qiáng)度敏感電路：提高抗干擾能力干擾耦合路徑：降低路徑效率
下面以開關(guān)電源為例，分析其濾波設(shè)計方案。開關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來。由于開關(guān)電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。如何降低甚至消除開關(guān)電源的 EMI 問題已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計師以及電磁兼容(EMC)設(shè)計師非常關(guān)注的問題。


開關(guān)電源的干擾，既有共模干擾，也有差模干擾。
對于差模干擾：其存在于L-N線之間，電流從 L 進(jìn)入，流過整流二極管正極，再流經(jīng)負(fù)載，通過熱地，到整流二極管，再回到N。在這條通路上，有高速開關(guān)的大功率器件，有反向恢復(fù)時間極短的二極管，這些器件產(chǎn)生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機(jī)檢測到，導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)。
對于共模干擾：共模干擾是因?yàn)榇蟮嘏c設(shè)備電纜之間存在寄生電容，高頻干擾噪聲會通過該寄生電容，在大地與電纜之間產(chǎn)生共模電流，從而導(dǎo)致共模干擾。


根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因和經(jīng)驗(yàn)，低頻如150kHz-1.5MHz，以差模為主，1.5MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后高頻部分基本上是共模干擾為主。我們先以差模干擾為例展示干擾的源頭、耦合路徑和測試的敏感電路。從干擾源頭看，開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。


從耦合路徑看，待測設(shè)備（EUT）的電源端口是干擾源，測試儀器為敏感電路，則從儀器的連接關(guān)系看，電源端口的干擾經(jīng)過AC頭接入了LISN的采樣電阻（50歐姆），再經(jīng)過測試儀器內(nèi)部的采樣電阻50歐姆，整個采樣電阻接近100歐姆。當(dāng)采樣電阻上的電壓超標(biāo)，則傳導(dǎo)的干擾超標(biāo)。


進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為如下電路模型，來看干擾的通路。噪聲主要由 di/dt 引起，通過寄生電感，在火線和零線之間的回路中傳播，在兩根線之間產(chǎn)生電流 ldm ，不與地線構(gòu)成回路。

由 Vdm 驅(qū)動的 Idm 導(dǎo)致輸入 AC 端口差模干擾，LISN +儀器的采樣阻抗為 100歐姆，開關(guān)電源的接口沒有濾波時，則很容易傳導(dǎo)測試超標(biāo)，干擾都在敏感設(shè)備上（采樣電阻為高阻，VDM的ZC+ESR為低阻）。

干擾電壓幅度為：Vdm：



    這種情況下，針對電源口的EMC濾波就可以考慮電容方案，接口加差模濾波電容，C1通常為100nF~2.2uF的聚醋X2電容。


X電容，常用做抑制電源電磁干擾，一般安裝到電源火線與零線之間，而且起到的作用都是差模濾波。X1電容耐電壓更高，在一些更高電壓的電路中要使用X1安規(guī)電容，X1 >2.5kV ≤4.0kV ；X2 ≤2.5kV。


電容容值選型原則：根據(jù)電容的阻抗-頻率特性曲線進(jìn)行選型，在需要濾波的頻點(diǎn)上，讓電容的阻抗盡可能小，即讓干擾電流更多的流向大地，而不是流經(jīng)測試儀器的采樣電阻。因此根據(jù)差模干擾為低頻干擾，頻段在 150kHz-1.5MHz，可選100nF~2.2uF電容，再結(jié)合耐壓確認(rèn)電容型號。




假設(shè)傳導(dǎo)測試時，超標(biāo)比較多，則考慮PI型濾波器。L1，L2，C1，C2 構(gòu)成低通 PI 型濾波器，L1、L2通常為100 ~300uH鐵粉芯電感，也可由共模電感的漏感形成，C1，C2通常為 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2電容。


4 結(jié)論
       解決EMI問題從源頭考慮進(jìn)行濾波，效果更好，如開關(guān)電源，從端口進(jìn)行傳導(dǎo)濾波。設(shè)計濾波時，需要針對傳導(dǎo)干擾的特性，有針對性進(jìn)行濾波器件選擇。并且遵循電容靠近高阻，電感靠近低阻的原則，才能獲取較好的濾波效果。

通常在傳導(dǎo)測試中，首先分析干擾性質(zhì)，通常低頻超標(biāo)的濾波方案，主要電容和PI濾波電路，也可以考慮差模電感，在開關(guān)電源設(shè)計前需要增加差模濾波電路。

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