MPS | 利用濾波電容與電感抑制輻射EMI --- 特性分析與設計方法

芻狗

利用濾波電容以及電感來抑制EMI是常見的降噪手段之一。

對于輻射EMI來說，

濾波元件的阻抗特性是怎樣的呢？

而我們又應該如何進行設計呢？

美國佛羅里達大學電子與計算機工程系終身正教授，IEEE Fellow (IEEE 會士) --- 王碩老師，以一個雙有源橋變換器為例，分享了濾波元件的特性與設計方法。

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撲與實物圖。

圖1為雙有源橋變換器的拓撲以及實物圖。從圖1中可見，輸入和輸出各有一段導線。根據我們之前的分享可知，變換器的輸入與輸出線相當于一對雙極天線（Dipole Antenna）。這個高頻的共模電壓會在輸入、輸出線上激勵出高頻的共模電流IA，并以電磁場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換，并不輻射到空間去，這部分無功對應的阻抗可以用jXA表示；一部分是發射出去的能量，用Rr來表示；最后一部分是天線上的電流在其本身電阻上產生的損耗，以Rl表示。而變換器的模型則可以通過一個等效噪聲源VS和源阻抗（實部RS和虛部XS）來表示。因此，一個通用的輻射EMI模型即可通過圖2（b）的形式來表示。

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的幅值可以根據圖2（b）得出：

其中RA為Rl與Rr之和, KI為電流系數。顯然， KI與共模電流成正比。

在輻射EMI測量中，實際測到的是變換器在一定距離外的某點產生的電磁場強度。以電場為例，在距離變換器為r的位置，電場強度的最大值Emax可以由（2）式得到：買元器件現貨上唯樣商城！

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為電場強度系數。顯然， KE與輻射電場強度成正比。

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

二、輻射EMI尖峰產生的原因

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

圖3為雙有源橋變換器源阻抗和天線阻抗的測量結果。我們可以看到XS和XA的曲線一共發生了四次交越，但只有當它們相位相反時，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，因此此時不太會出現尖峰；相比之下，①處的RA僅約100歐姆。①處的頻率約為167MHz。