寄生效应如何产生意想不到的 EMI 滤波器谐振

电磁干扰 (EMI) 被誉为电源设计中最困难的方面之一。我认为这种声誉在很大程度上来自这样一个事实，即大多数与 EMI 相关的挑战并不是通过查看原理图就能解决的问题。这可能令人沮丧，因为原理图是工程师了解电路功能的中心位置。当然，您知道设计中有一些不在原理图中的相关功能——比如代码。

您还知道原理图并不代表印刷线路板寄生效应之类的东西。然而，在 EMI 中，像这样的寄生效应可能会影响您满足要求的能力，迫使您拥有必要的经验来识别哪些类型的寄生效应会对 EMI 频谱产生积极或消极的影响。这篇 Power Tip 文章将探讨这些类型的寄生效应如何在电动汽车 (EV) 的基于氮化镓 (GaN) 的车载充电器 (OBC) 中产生意想不到的 EMI 滤波器谐振。

显示了 OBC 的高级系统表示。它的主要功能是对电网到车辆的电压和电流电池充电。第二个功能是车辆到电网的功率流，以便电动汽车可以补充可能具有波动峰值容量的可再生能源。

车载充电器的 EMI 评测

EMI 包括差模 (DM) 和共模 (CM) 噪声。对于 OBC 系统，DM 噪声主要由功率因数校正 (PFC) 的输入电流产生，而 CM 噪声可能由 PFC 和导体-电感-电感-电感-电容 (CLLLC) 产生。在原理图的右下角显示了 OBC 的冷却解决方案(冷板)。冷板对于防止组件过热至关重要;但是，它的存在会引入影响 EMI 的寄生电容。

在开关节点到冷板之间、在冷板的初级和次级接地之间以及在 CLLLC 变压器的初级和次级绕组之间存在寄生电容。这些寄生电容会产生或影响系统中的 CM 噪声电流水平。

使用估计的寄生电容，仿真表明，在最坏的情况下，只有 2.2µF 输入电容 (C X1 ) 的裸 DM 噪声约为 110dBµV。同样，没有任何 CM 滤波器的裸 CM 噪声在大约 350 kHz 时约为 115 dBµV。设计两级 EMI 滤波器有助于将 EMI 噪声衰减到低于 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 32 标准。

L CM1和 L CM2在 350 kHz 时的共模阻抗约为 3 kΩ。它们的漏感约为 6.4 µH，用于 DM 噪声衰减。C X1和 C X2是用于 DM 噪声衰减的 2.2-µF 薄膜电容器，而 C Y1、 C Y2、 C Y3和 C Y4是用于 CM 噪声衰减的 4.7-nF 陶瓷电容器。

理想情况下，通过设计的滤波器，裸 CM 噪声和裸 DM 噪声均应衰减 65 dBµV 以上，EMI 噪声应符合 CISPR 32 标准。然而，仍有一些实际挑战需要解决。

EMI滤波器谐振

EMI 滤波器在设计上充满了共振。事实上，正是这些谐振使滤波器能够衰减噪声并使系统能够通过 EMI 标准。显示了 EMI 滤波器的典型衰减曲线。请注意，在高于 100 kHz 的频率下，滤波器可以很好地降低幅度。但是，在 100 kHz 以下有一些谐振，如果它们存在于开关频率之上，则可能会产生很大的问题。

显然，没有人会故意在开关频率上放置谐振，但互连阻抗、组件寄生或两者有时会促使系统以一种无意的方式运行。

显示了与图 2 相比略有修改的 EMI 滤波器。不同之处在于红色的组件。L P1和 L P2代表 EMI 滤波器和 PFC 输入之间互连的寄生电感。L P1和 L P2的存在需要一些局部电容才能使 PFC 电流流过。因此，将 C X1移至 PFC 的输入并添加 C X0增加了滤波器的衰减。红色的四个元素组合在一起产生 240 kHz 的共振。在本设计中，240 kHz 是两相 PFC 的转换组合开关频率。这种谐振会放大开关电流，并随后使该频率下的 EMI 变得更糟。

显示了流经 L P1的交流线路电流的时域波形，洋红色显示，交流输入电压显示为蓝色。请注意，电流具有显着的 240kHz 正弦波，峰峰值幅度为 28A。该正弦波是三角形 PFC 电流流经中红色组件所产生的非预期放大器的直接结果。

抑制这样的谐振可能具有挑战性，因为必要的阻尼器通常需要比电路中使用的更大的电感器或电容器。另一种可能的解决方案可能是降低互连的电感，以使谐振不再位于开关频率之上。从理论上讲，这听起来不错，但实际上，这种互连是有原因的。所以，让它变小是不可行的。

另一种选择是考虑保留 C X0和 C X1的必要性。您无法移除 C X1，因为 PFC 需要一些本地输入电容来提供高频电流。然而，C X0是为了增加电容，目的是增加衰减。移除 C X0将 EMI 改善了大约 6 dBµV。幅度降低了 50%，并且通过标准所需的衰减 (65 dBµV) 的很大一部分。这是一笔不错的交易。

两个设计要点

这里的要点是双重的。首先是原始前提：原理图并不能说明 EMI 的全部情况。在这种情况下，互连电感会导致意外谐振，放大开关频率噪声。识别问题的根本原因始终是调试中最关键的一步。

第二个要点是，有时通常好的东西(滤波电容器)越少越好。您通常可以通过添加组件来解决 EMI 问题，但在这种情况下，组件的存在会使问题变得更糟。因此，通过去除 C X1，我们能够减小滤波器的尺寸、降低系统成本并改善 EMI。