一种有源共模EMI滤波技术研究

0 引言
    开关电源中功率开关器件的高速开关动作(从几十kHz到数MHz)，形成了EMI骚扰源，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。为此，国内外也制定了许多标准来限制开关电源的干扰。
    在美国和欧洲，传导噪声是按FCC和VDE标准A级和B级限制严格管理的，这两个标准是全世界通用标准。开关电源的产品如果要通过EMC测试标准，往往需要综合采用各种方法，而大部分都需要增加滤波器。传统的滤波器大多采用无源滤波器，无源滤波器常常受到可用的电感、电容的体积制约。因此，很多国外学者对有源的EMI滤波器做了很多研究，来试图找到解决的办法。本文主要是阐述了一种有源EMI滤波器方案，分析了它减小传导共模EMI的原理，并给出了实验波形及结果。最后的实验结果显示，它需要的电感、电容的体积相对较小，对高频干扰提供足够的衰减。

1 传导共模干扰的测量
    以一个AC/DC半桥变换器为例，测量装置接法如图l所示，电网供电是经过一个电网阻抗稳定网络(LISN)，LISN的测量电压送入分析装置以分析干扰量。LISN包含电阻、电感和电容，相对于50Hz低频信号，50μH电感相当于短路，而O.1μF电容则相当于开路；而对于EMl噪声频率的信号，该电感则呈现高阻抗，而电容则呈现低阻抗，从而是噪声电流流过50Ω电阻，可测得的其上电压Vx、Vy值，由传统理论可以分析得出，共模干扰电压VCM与Vx、Vy的关系为

2 传导干扰传播途径的分析
    共模干扰噪声源主要来自开关器件对地电容，仍以上面的AC/DC半桥变换器为例，MengJin等人通过理论实验论证得出了共模噪声回路的一个模型。
    实际电路中，由于元器件等的寄生参数的影响，比如电容元件的寄生电感，电感元件的寄生电容以及PCB布局、布线的寄生参数，真实的共模噪声回路是很难得出的。其中一个主要寄生参数是MOSFET与其连接的散热器之间的电容Cp，而散热器从安全角度考虑通常都是连接到地的，而且为了导热，MOSFET与散热器之间的绝缘垫片很薄，这也使得Cp尤其大，故认为共模噪声主要途径是由交变电压作用在对地的寄生电容上这个网路中传播的。通过分析不难得知：当VAB>V1+V2，整流管D1、D3是导通的，如图2和图3所示，当S1开通时，F点电位被箝位为Vc。通过R1、C1．D1、S1、Cp和R2、C2、D3、V1、Cp两条回路对Cp充电；当S2开通时，F点被箝位为VE，Cp通过S2、D3、C2、R2、Cp和S2、V1、D1、R1、Cp进行放电；当VAB<V1+V2时，整流管D1、D3不可能同时导通，则Cp上的电压会随S1、S2的通断而波动，其充放电电流只会流经D1、D3的一个，有文献称这样引起的噪声为非固有差模噪声，其会由于A、B 间接入的X电容转化为共模噪声。

3 共模有源滤波器实验设计原理
    Shikoski J．提出了一种有源滤波器的原理拓扑如图4所示，Vr是高频噪声干扰源，通过ZSENSE感应噪声电流ir，并通过反馈输出补偿电流Air，以此来抵消非线性负荷所产生的噪声电流，从而达到消除躁声电流的目的。图5为实验中的共模有源滤波器的基本原理图，它也是基于以上原理来设计的。一般LISN测得的传导干扰包含了共模和差模的EMI，在实际应用中，差模干扰较易滤除，共模干扰往往成为传导干扰的瓶颈，因此图5中的输入滤波器用数个O.47μF的X电容并联在L、N线两端，这样可以基本滤掉差模干扰，在实验中着重共模EMl的抑制。电流互感器LCM这里的作用是感应共模电流，它将高频噪声信号从电源端分离出来，并在RIN两端产生高频的电压加在运放两端。这里ig为被检测到的共模干扰电流，in为开关电源中的共模干扰源，运放的作用是由输出电压通过电容C1、电阻R3产生电流ic以补偿in。C1将滤波电路与主电路隔离，其作用是对主电路中直流和低频的功率电流呈高阻抗，而对噪声的高频信号呈低阻抗。

4 实验设计
4.1 运算放大器的选择 
    在理想情况下，通过补偿ig=O，这需要ic=-in，在实际中往往由于运放的反馈网络不可能是无穷大，而且从稳定性考虑，高频情况下对环路增益折中选择。另外需选用频带较宽，响应速度快，对输入电压中的共模电压有较高的抑制并且能输出较大电流(电流幅值约20mA/120dBμV)的运放，这里选择运放为TI公司的THS系列中如THS4001或者Fairchild公司的FHP3130、FHP3230、FHP3430等。
4.2 电流互感器的设计
    这里电流互感器采用环形磁芯结构，选取原副边匝比为l：N，其中原边为一匝电源进线，这里需要电流互感器有一阶高频特性，其低频可等效为如图6所示，可以知道其下限频率为

式中：Ae为磁芯的有效截面积；
    ι为有效磁路长度；
    μr为相对磁导率。

    故要改善下限截止频率，可以增加副边绕组，增加磁芯有效截面积等来实现。
    对于上限截止频率，提高电流互感器高频特性，只有尽量减小互感器的寄生参数的影响，如为了消除原、副边绕组间寄生电容对电流互感器高频特性的影响，对原边电流进线可采用屏蔽设置。
4.3 C1的选择
    C1起到的是隔离直流偏置电源与主电路回路的作用，这里选择Yl型电容。

5 实验及结果分析
    实验以一个半桥变换电路作为被测对象，实验环境为全屏蔽实验室。实验所用仪器为一台LISN和一台SCR3501型电磁兼容测量分析仪。被测物距地面高度为0.8 m，距检测装置LISN水平距离O.8 m，所有装置的外壳均可靠接大地。测得被测对象的传导FMI频谱如图7、图8、图9所示，均采用峰值检测频谱图中的两条准线，上面一条为欧盟传导标准EN55022B，下面一条线为与之相差lOdB表示裕量。图7为无任何EMI滤波措施时装置的频谱，噪声电流直接经分布电容流回交流电源侧，因此超标严重；图8为增加了有源滤波装置后共模噪声测量频谱，在全频段范围内均有大幅衰减，在较低频段(150kHz～2MHz)抑制略有不足，图8中标示在210 kHz这个点上仍然超出规定标准(该点处约64dB)约3.5 dB。图9为有源与无源滤波电路相结合后所测得的噪声频谱，在有源滤波的基础上还增加了一个小的共模电感并增加了两个Y电容，此时150kHa~1 MHz上的噪声明显衰减，全频带范围内噪声值均在下面一条准线以下，因此至少还有10dB裕量。

6 结语
    本文阐述了共模传导噪声的产生及其流动的回路以及测量的原理，并以此对有源滤波器的进行了分析与设计，在此基础上设计了实验电路，通过实验证明了该方案的可行性。可以得出以下结论。
    (1)这种有源EMI滤波器能够对EMI的共模干扰起到类似无源元件构成的滤波器的滤波作用，通过实验证明，滤波器工作性能是稳定的，配合少量无源元件可以达到EMI检测合格标准。
    (2)与传统的EMI滤波器相比较，该有源滤波器易于集成，这也是一种趋势，现在已经有用于DC/DC方面的集成有源EMI滤波器的成品，如PIC0R公司的QPI-3，采用封装为1.0”×1.O”×O.2”SIP，能有效减少滤波器的体积和高度，且在很大程度上不依赖设计者的经验，这种利于集成和以实用为主导的技术思想也是开关电源EMI抑制手段的一种新思路。