寄生效应如何产生意外的 EMI 滤波器谐振

电磁干扰 (EMI) 是电源设计中最难解决的问题之一。我认为，这种名声很大程度上源于这样一个事实：大多数与 EMI 相关的挑战都不是可以通过查看原理图来解决的。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相关功能不在原理图中 - 例如代码。

您还知道，原理图并不表示印刷电路板寄生效应之类的东西。然而，在 EMI 中，像这样的寄生效应会对您满足要求的能力产生主导影响，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) 的氮化镓 (GaN) 车载充电器 (OBC) 中产生意外的 EMI 滤波器谐振。

图 1显示了 OBC 的高级系统表示。其主要功能是电网到车辆的电压和电流电池充电。次要功能是车辆到电网的电力流动，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。

图 1示意图显示了车载充电器 (OBC) 的高级系统表示。

现在，让我们将注意力转向 OBC 内部的 EMI 考虑因素。

车载充电器的 EMI 评估

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 噪声可能来自 PFC 和导体-电感器-电感器-电感器-电容器 (CLLLC)。图 2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;然而，它的存在会引入影响 EMI 的寄生电容。

图 2导致 EMI 的寄生效应显示在原理图的右下角。

如图 2 所示，开关节点与冷板之间、初级和次级接地与冷板之间以及 CLLLC 变压器的初级和次级绕组之间存在寄生电容。这些寄生电容可能会在系统中产生或影响 CM 噪声电流水平。

根据估计的寄生电容，仿真表明，在最坏情况下，仅使用 2.2 µF 输入电容器 (C X1 ) 的裸 DM 噪声约为 110 dBµV。同样，没有任何 CM 滤波器的裸 CM 噪声在 350 kHz 左右约为 115 dBµV。设计两级 EMI 滤波器有助于将 EMI 噪声衰减到国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 32 标准以下。

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

理想情况下，采用设计的滤波器，裸 CM 噪声和裸 DM 噪声均应衰减 65 dBµV 以上，EMI 噪声应满足 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 滤波器在设计时就充满了谐振。事实上，正是这些谐振使得滤波器能够衰减噪声并使系统能够通过 EMI 标准。图 3显示了 EMI 滤波器的典型衰减曲线。请注意，在 100 kHz 以上的频率下，滤波器可以很好地降低振幅。然而，有些低于 100 kHz 的谐振如果存在于开关频率之上，可能会造成很大问题。

图 3这是车载充电器的典型 EMI 滤波器衰减情况。

显然，没有人会故意在开关频率上产生谐振，但互连阻抗、元件寄生效应或两者有时会导致系统以非预期的方式运行。

图 4显示了与图 2 相比略有修改的 EMI 滤波器。差异在红色元件中。L P1和 L P2表示 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 的输入端并添加 C X0增加了滤波器的衰减。红色的四个元件结合在一起，在 240 kHz 处产生谐振。在此设计中，240 kHz 是两相 PFC 的转换组合开关频率。此谐振将放大开关电流，随后使此频率下的 EMI 恶化。

图 4 EMI 滤波器在开关频率下产生谐振。

图 5以洋红色显示了流过 L P1 的交流线电流的时域波形，以蓝色显示了交流输入电压。请注意，电流具有明显的 240 kHz 正弦波，峰峰值幅度为 28 A。该正弦波是三角 PFC 电流流过图 4 中红色元件产生的非预期放大器的直接结果。

图 5交流线电流的时域波形以洋红色显示流过 L P1。

抑制这样的共振可能具有挑战性，因为必要的阻尼器通常需要比电路中使用的电感器或电容器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，以便共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，互连的存在是有原因的;因此，将其缩小并不可行。

另一个选择是考虑保留 C X0和 C X1的必要性。您不能移除 C X1，因为 PFC 需要一些本地输入电容来处理高频电流。但是，C X0可以增加电容，目的是增加衰减。移除 C X0可将 EMI 改善约 6 dBµV。幅度减少了 50%，并且衰减量(65 dBµV)的很大一部分是通过标准所需的。这是一笔相当划算的交易。

两个设计要点

这里的要点有两个。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，互连电感引起了意外谐振，从而放大了开关频率噪声。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，有时少用一些通常很好的东西(滤波电容器)反而更好。通常可以通过添加元件来解决 EMI 问题，但在这种情况下，元件的存在会使问题变得更糟。因此，通过移除 C X1，我们能够减小滤波器的尺寸、降低系统成本并改善 EMI。