MPS | 利用濾波電容與電感抑制輻射EMI --- 特性分析與設(shè)計(jì)方法

芻狗

利用濾波電容以及電感來(lái)抑制EMI是常見(jiàn)的降噪手段之一。

對(duì)于輻射EMI來(lái)說(shuō)，

濾波元件的阻抗特性是怎樣的呢？

而我們又應(yīng)該如何進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？

美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系終身正教授，IEEE Fellow (IEEE 會(huì)士) --- 王碩老師，以一個(gè)雙有源橋變換器為例，分享了濾波元件的特性與設(shè)計(jì)方法。

一、雙有源橋變換器的輻射EMI模型

圖1 雙有源橋變換器的拓?fù)渑c實(shí)物圖。

圖1為雙有源橋變換器的拓?fù)湟约皩?shí)物圖。從圖1中可見(jiàn)，輸入和輸出各有一段導(dǎo)線。根據(jù)我們之前的分享可知，變換器的輸入與輸出線相當(dāng)于一對(duì)雙極天線（Dipole Antenna）。這個(gè)高頻的共模電壓會(huì)在輸入、輸出線上激勵(lì)出高頻的共模電流IA，并以電磁場(chǎng)的形式向外輻射能量。如圖2（a）所示，天線的能量可以看成以下幾部分：一部分在兩極之間相互轉(zhuǎn)換，并不輻射到空間去，這部分無(wú)功對(duì)應(yīng)的阻抗可以用jXA表示；一部分是發(fā)射出去的能量，用Rr來(lái)表示；最后一部分是天線上的電流在其本身電阻上產(chǎn)生的損耗，以Rl表示。而變換器的模型則可以通過(guò)一個(gè)等效噪聲源VS和源阻抗（實(shí)部RS和虛部XS）來(lái)表示。因此，一個(gè)通用的輻射EMI模型即可通過(guò)圖2（b）的形式來(lái)表示。

圖2 (a)雙極天線輻射原理；(b) 變換器輻射EMI模型

因此，共模電流IA的幅值可以根據(jù)圖2（b）得出：

其中RA為Rl與Rr之和, KI為電流系數(shù)。顯然， KI與共模電流成正比。

在輻射EMI測(cè)量中，實(shí)際測(cè)到的是變換器在一定距離外的某點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。以電場(chǎng)為例，在距離變換器為r的位置，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值Emax可以由（2）式得到：買元器件現(xiàn)貨上唯樣商城！

其中，VS代表噪聲源，η為波阻抗，D為方向性，表示該方向上的最大功率密度與半徑為r的球面平均功率密度之比，KE為電場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)。顯然， KE與輻射電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

天線阻抗和變換器的阻抗都可以通過(guò)測(cè)試得到，具體的方法可以參考之前的講座（點(diǎn)擊觀看：高頻共模電流、電壓和阻抗的測(cè)量）。

二、輻射EMI尖峰產(chǎn)生的原因

現(xiàn)在讓我們分析下KI和KE的表達(dá)式。如式（3 - 4）所示，由于XS和XA既可能是容性又可能是感性，它們有可能會(huì)相互抵消，此時(shí)如果RS + RA較小，則會(huì)在頻譜上面觀察到一個(gè)尖峰。

圖3為雙有源橋變換器源阻抗和天線阻抗的測(cè)量結(jié)果。我們可以看到XS和XA的曲線一共發(fā)生了四次交越，但只有當(dāng)它們相位相反時(shí)，才意味著這兩部分是抵消的（①和②處）。另外，由于在②處，RA有近千歐姆，因此此時(shí)不太會(huì)出現(xiàn)尖峰；相比之下，①處的RA僅約100歐姆。①處的頻率約為167MHz。