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EMI 滤波器原理与设计方法详解

输入端差模电感的选择：

1. 差模choke置于L线或N线上，同时与XCAP共同作用F=1 / (2*π*  L*C)

2. 波器振荡频率要低于电源供给器的工作频率，一般要低于10kHz。

3. L = N2AL（nH/N2）nH

4. N = [L（nH）/AL(nH/N2)]1/2匝

5. AL = L（nH）/ N2nH/N2

6. W =（NI）2AL / 2000μJ

输入端共模电感的选择：

共模电感为EMI防制零件，主要影响Conduction 的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温升，以同样尺寸的Common Choke而言，线圈数愈多(相对的线径愈细)，EMI防制效果愈好，但温升可能较高。传导干扰频率范围为0.15～30MHz，电场辐射干扰频率范围为30～100MHz。开关电源所产生的干扰以共模干扰为主。产生辐射干扰的主要元器件除了开关管和高频整流二极管还有脉冲变压器及滤波电感等。注意：1. 避免电流过大而造成饱和。2．Choke温度系数要小，对高频阻抗要大。3．感应电感要大，分布电容要小。4．直流电阻要小。

B= L * I / (N * A)  (B shall be less than0.3)

L = Choke inductance. I = Maximum current through choke.  N = Number of turns on choke.

A = Effective area of choke. (for drum core, can approximate with crosssection area of center pole.)

假设在50KHZ有24DB的衰减则，共模截止频率Fc = Fs*10Att/4 0 =50*10-24/40=12.6KHZ

电感值L= (RL*0.707)/(∏*Fc) =(500.707)/(3.14*12.6) = 893uH

使用磁芯和磁棒作滤波电感时应注意自身的阻抗，对于共模电感不能使用低阻抗的磁芯和磁棒，否则会造成炸机现象。作共模电感用的磁芯应用DC500V测量其绝缘阻抗应大于己于100M。

在电源设备中采用噪声滤波器的作用如下：

（1）防止外来电磁噪声干扰电源设备本身控制电路的工作；

（2）防止外来电磁噪声干扰电源的负载的工作；

（3）抑制电源设备本身产生的EMI；

（4）抑制由其它设备产生而经过电源传播的EMI。

      在国际上的电磁噪声限制规则，如美国有FCC，德国有FTZ，VDE等标准。

在电源设备输入引线上存在二种EMI噪声：共模噪声和差模噪声，把在交流输入引线与地之间存在的EMI噪声叫作其共模噪声，它可看作为在交流输入线上传输的电位相等、相位相同的干扰信号。而把交流输入引线之间存在的EMI噪声叫作差模噪声，它可看作为在交流输入线传输的相位差180°的干扰信号。共模噪声是从交流输入线流入大地的干扰电流，差模噪声是在交流输入线之间流动的干扰电流。对任何电源输入线上的传导EMI噪声，都可以用共模和差模噪声来表示，并且可把这二种EMI噪声看作独立的EMI源来分别抑制。
      电源用噪声滤波器按形状可分为一体化式和分立式。一体化式是将电感线圈、电容器等封装在金属或塑料外壳中；分立式是在印制板上安装电感线圈、电容器等，构成抑制噪声滤波器。一体化式成本高，特性较好，安装灵活；分立式成本较低，但屏蔽不好，可自由分配在印制板上。

电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的EMI噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EMI噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备。

噪声滤波器的主要设计原则
　　共模电感线圈使用的磁芯有环形、E形和U形等，材料一般采用铁氧体，环形磁芯适用于大电流小电感量，它的磁路比E形和U形长，没有间隙，用较少的圈数可获得较大的电感量，由于这些特点它具有较佳的频率特性。而E形磁芯的线圈泄漏磁通小，故当电感漏磁有可能影响其它电路或其它电路与共模电感有磁耦合，而不能获得所需要的噪声衰减效果时应考虑采用E形磁芯作成共模电感。 差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯，由于粉压磁芯适用频率范围较低，在几十kHz～几MHz，其直流重叠特性好，在大电流应用时电感量也不会大幅下降，最适合作为差模电感。

滤波器的技术参数及正确使用
　　插入损耗是噪声滤波器的重要技术参数之一，在设计和选用时应予主要考虑。在滤波器的安全、常规电气性能、环境及机械等条件都满足要求时，应尽量选择插入损耗值大些。当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为： IL=20log(V1/V2）(1) 　  
　　因为电源噪声滤波器能衰减共模和差模噪声，所以它即有共模插入损耗，又有差模插入损耗。选用滤波器时，应注意产品手册给出的插入损耗曲线，都是按照标准规定，在其输入和输出阻抗都为50Ω条件下测得的。因为实际的滤波器两端阻抗不一定在全频率范围内是50Ω，所以它对EMI信号的衰减，并不等于产品手册中给出的插入损耗值。当使用安装不当时，还会远远小于标准给定的插入损耗。 当滤波器的输出阻抗与负载阻抗不相等时，在此端口上会产生反射，两个阻抗相差越大，端口产生的反射也越大。在设计EMI滤波器时，要注意滤波器阻抗的正确连接，以造成尽可能大的反射，使滤波器在很宽的频率范围内造成较大的阻抗失配，从而得到更好的电磁干扰抑制性能。
电源噪声滤波器的使用应注意如下几点：
①滤波器应尽量靠近设备交流电入口处安装，应使未经过滤波器的交流进线在设备内尽量短；
②滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免引线感抗和容抗在较低频率上产生谐振；
③滤波器接地线上有大的电流流过，会产生电磁辐射，应对滤波器进行良好的屏蔽和接地；
④滤波器的输入线和输出线不能捆扎在一起，布线时尽量增大其间距离，以减小它们之间的耦合，可加隔板或屏蔽层。
　　tests using a noiseseparator

Difficulties of EMI filter design

Base line (no filter) EMI unknown without measurement

Noise source impedance unknown

High-frequency effects difficult to predict

Filter source impedance resonance

A procedure for determining filter component values

Example: 90-260V flyback convertersswitching power supply 90KHZ, 43W output to meet a VDE limit for proper margin,under 6DB limit is used in the design.

Step1, measure-base line(without filter) common-model EMI noise (VCM) and differential-modelEMI noise (VDM) using a noise separator.

Step2, determine CM attenuationrequirement Vreq,CM and DM attenuation requirement Vreq,DM. (Plot filterattenuation requirement)

(Vreq,CM)dB = (VCM)dB – (VLimit)dB +3 dB

(Vreq,DM)dB = (VDM)dB – (VLimit)dB +3 dB

Where the (VCM)dB and (VDM)dBare obtained from step1

Step3, determine filter corner frequencies

    FR,CM= 40.3KHZ, and FR,DM = 12KHZ

Step4, determine filtercomponent volues

     1, CMcomponent LC and CY, CY is leakage currentrequirement, use CY =3300pF

        LC= {1/(2*π*FR,CM)}2*{1/(2*CY)}= {1/(2*π*40.3)}2*{1/(2*33oo*10-12)}= 2.36mH

  Select LC=2.4mH, and the leakage inductance LLeakage= 36uH can be obtained bymeasurement

     2, DMcomponent LD, CX1 and CX2

        CX1= CX2 = CDM = {1/(2*π*FR,DM)}2*(1/LDM)={1/(2*π*12)}2*(1/LDM)

Converter-filter interaction should be taken into consideration in choose LDMand CDM  

There are infinite sets of solution for LDMand CDM three sets of solutions are listed for discussion in thefollowing.

1), use the leakage inductance as the DM choke since.LDM= LLeakage= 36Uh then CCM=CX1=CX4.75Uh which is an impractical calue forline-voltage rated filter capacitor . the physical volume of such a capacitoris much to bulky.

2), if CDM are chose to be 0.47Uf , a commonlyavailable filter capacitor value then LDM=374uh and LD= (LDM-LLeakage)/2=169uh

A practical inductance value select LD = 180uh

3), if CDM = 0.2uf then LDM= 800uh and Ld = 382uh apractial value also select LD = 380uh