【導讀】任何開關模式電源 (SMPS)都需要EMI（電磁幹擾）輸入濾波器，以避免對電源線造成幹擾，以及對連接到電源線的其他組件或係統產生幹擾。因此
，設計和優化輸入濾波器是 SMPS 開發的一項重要任務。雖然必須添加共模和差模噪聲濾波器元件，但很少單獨優化它們。特別是對於高功率應用，這可能會導致 EMI 濾波器比實際需要的大得多。

任何開關模式電源 (SMPS)都需要EMI（電磁幹擾）輸入濾波器，以避免對電源線造成幹擾
，以及對連接到電源線的其他組件或係統產生幹擾。因此，設計和優化輸入濾波器是 SMPS 開發的一項重要任務。雖然必須添加共模和差模噪聲濾波器元件，但很少單獨優化它們。特別是對於高功率應用，這可能會導致 EMI 濾波器比實際需要的大得多。

在本文中，我們討論了一種使用雙輸出 LISN（線路阻抗穩定網絡）和至少具有兩個通道的示波器來分離共模和差模噪聲分量的簡單方法，這使得優化共模和差分噪聲成為可能。 - 模式濾波器組件分開
，從而為設計輸入濾波器提供更準確的數據。

EMI 和寬帶隙半導體的重要性

由於開關大電流的特性
，SMPS 會產生相當多的噪聲。SMPS 拓撲的選擇非常重要
，會影響濾波器的設計；例(li)如(ru)，雙(shuang)交(jiao)錯(cuo)升(sheng)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)比(bi)簡(jian)單(dan)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)要(yao)少(shao)。一(yi)旦(dan)選(xuan)擇(ze)了(le)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)

，就(jiu)有(you)幾(ji)個(ge)影(ying)響(xiang)噪(zao)聲(sheng)水(shui)平(ping)的(de)設(she)計(ji)參(can)數(shu)。轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)是(shi)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)值(zhi)。通(tong)常(chang)，選(xuan)擇(ze)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)以(yi)獲(huo)得(de)緊(jin)湊(cou)的(de)設(she)計(ji)。然(ran)而(er)
，高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi) EMI 過高。

了解開關元件的上升和下降時間與產生的噪聲之間的相關性非常重要。通常，快速開關元件是。如今，即使是基於SiC或GaN的de寬kuan帶dai隙xi器qi件jian在zai電dian源yuan轉zhuan換huan器qi設she計ji中zhong非fei常chang流liu行xing
，以yi提ti高gao效xiao率lv。如ru果guo設she計ji沒mei有you非fei常chang仔zai細xi地di優you化hua以yi避bi免mian噪zao聲sheng產chan生sheng
，那na麼me這zhe種zhong快kuai速su開kai關guan元yuan件jian就jiu會hui加jia劇ju噪zao聲sheng的de產chan生sheng。除chu了le設she計ji參can數shu之zhi外wai，限xian度du地di減jian少shao整zheng個ge設she計ji（包括印刷電路板）中(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)元(yuan)件(jian)總(zong)是(shi)有(you)幫(bang)助(zhu)的(de)。例(li)如(ru)，高(gao)壓(ya)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)與(yu)用(yong)於(yu)冷(leng)卻(que)的(de)金(jin)屬(shu)外(wai)殼(ke)的(de)連(lian)接(jie)相(xiang)結(jie)合(he)將(jiang)產(chan)生(sheng)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)，該(gai)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)充(chong)當(dang)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)離(li)開(kai)係(xi)統(tong)的(de)路(lu)徑(jing)。

典型 EMI 輸入濾波器結構

EMI 輸入濾波器通常由兩個功能部分組成：一部分用於抑製不需要的共模噪聲

，另一部分用於抑製差模噪聲。對於AC/DC轉換器來說，差模EMI濾波器部分的關鍵元件是差模電感和X電容。對於共模EMI濾波器部分，共模扼流圈和Y電容。在某些情況下，可以省略差模電感器
，因為共模扼流圈也可以充當差模電感器。

分離共模和差模噪聲

EMC 標準要求測量兩條電源線上的傳導發射，並且頻率範??weineimeigepinlvdedianyajundiyuzhidingxianzhi。gaicelianganshunxuzaiyigendianyuanxianshangzhixing
，ranhouzailingyitiaodianyuanxianshangzhixing。suiranzhezuyitongguochuandaofasheceshibiaozhun

，dantabingmeiyoutigongduizaoshengchuanbojizhiderenhejianjie
，yinweiceliangshidaotishanggongmohechamozaoshengdezuhe。zaoshengdianliuzaixitongneiliudongdeyuanlirutu1所示。

圖 1：共模/差模流程

共模電流部分Icm在兩條線路上從DUT（被測器件）流入LISN
，並通過外部接地路徑流回DUT，導致外部接地通路中的兩個電流部分之和。正導線和負導線的振幅和相位相同。差模電流表現出不同的特性；正導體上的電流流入LISN，噪聲的返回路徑是負導體。的區別是這兩個電流之間的相位；它們相差180°
，理想情況下應該抵消。通過一點數學知識，可以分離共模和差模噪聲項。使用單個電流：

IP = ICMa + IDM
I N = I CMb  – I DM

我們可以很容易地計算出兩個導體上的電壓：

V P = (I CMa + I DM ) * Z LISN
V N = (I CMb  ? I DM ) * Z LISN

根據各個電壓與共模、差模電壓之間的關係：

V P + V N = V CMa + V CMb

我們可以計算共模和差模電壓如下：

V CM = V P + V N
V DM = ? (V P - V N )

簡單減法得到的值是差模噪聲水平的兩倍，即多出 6dB，在結果評估期間必須考慮到這一點。使用這些簡單的計算
，區分共模噪聲和差模噪聲（包括從差分結果中減去 6dB）。如果設置（電纜、LISN 組件等）盡可能對稱
，則簡單的數學計算效果；必須同時測量兩個導體上的噪聲。圖 2 顯示了一種簡單但有效的分離共模和差模噪聲的設置。雙輸出 LISN（或兩個相同的 LISN）用於在兩條電源線上進行探測，信號由一個雙輸出 LISN 的兩個通道捕獲。示波器。和信號和差信號在示波器以及（快速傅立葉變換）FFT 上計算。這樣可以直接訪問共模和差模噪聲信號。

圖 2：增強型測量設置

雖然兩個 LISN 之zhi間jian的de任ren何he不bu對dui稱cheng都dou會hui對dui測ce量liang結jie果guo產chan生sheng一yi些xie影ying響xiang，但dan實shi際ji上shang該gai方fang法fa提ti供gong了le相xiang當dang準zhun確que的de結jie果guo。需xu要yao考kao慮lv的de重zhong要yao方fang麵mian是shi使shi用yong相xiang同tong的de電dian纜lan長chang度du，以yi及ji使shi用yong具ju有you足zu夠gou質zhi量liang的de電dian纜lan以yi避bi免mian時shi間jian偏pian移yi或huo幅fu度du損sun失shi
，這zhe將jiang直zhi接jie影ying響xiang分fen離li噪zao聲sheng分fen量liang的de能neng力li。

此外，應使用具有足夠低噪聲前端、直接輸入頻率參數（例如起始頻率和終止頻率或分辨率帶寬）以及足夠快的 FFT 功能的示波器。

分析

用於演示新方法的 DUT 是一個簡單的降壓轉換器。DUT 輸入濾波器是一個簡單的 PI-LC 濾波器，對於抑製差模噪聲非常有效。該設置使應用或排除 PI-LC 濾波器變得簡單。PCB 上不包含共模濾波器，因此共模扼流圈連接在 PCB 外部。轉換器沒有外殼；PCB 隻需放置在金屬接地層的隔離塊上即可。該設置有意避免產生過多的共模噪聲。

次測量（如圖 3 所示）顯示了輸入功率導體中的頻譜。當 DUT 關閉時
，參考電平測量已經確定了係統的噪聲電平。在執行 FFT 之前

，通過將和表達式除以 2 來補償差分模式中額外的 6dB。對於共模，直接使用求和表達式
，因為共模噪聲總量由兩個測量通道的總和表示。

　圖 3：未應用 EMI 濾波器

參考線中 300 kHz 處的峰值是由係統而不是轉換器引起的，並且至少可以忽略高達 25dBμV。在 300 kHz 測量期間，高幅度差模噪聲（大約 65dBμV）shiyouzhuanhuanqidekaiguanpinlvyinqide。gaipinlvdexiebohesuoyougenggaodeqishubeidoushiyoufanshewenbodianliuyinqide，gaidianliuzaichamopinpuzhongzhanzhudaodiwei。zaigongmopuzhongyekeyikandaoyixiefeng；這些沒有被微分濾波器過濾。

LC 濾波器經計算可抑製 300 kHz 處的基波幅度。計算出的濾波器諧振頻率為 19.3 kHz，這應該會導致開關頻率處約 40dB 的抑製。濾波器結構為二階
，因此阻尼約為 40 dB/Decade。圖 4 中的測量顯示了濾波器對頻譜的影響。

、圖 4：應用的差分模式濾波器

與之前未濾波的值相比，差模噪聲非常有效地降低了高達 10 MHz，阻尼高達 30dB。特別是 300 kHz 的基波和多次諧波的幅度要低得多。在較高頻率區域，濾波器效果不佳
；噪音多隻能衰減 10dB。

由於濾波器是為了濾除差模噪聲而設計的
，因此共模噪聲並未顯著降低。為了抑製共模噪聲
，添加了一個額外的濾波器。插入了 Würth Electronic 的共模扼流圈。

圖 5：應用共模濾波器

共模噪聲尤其從 2 MHz 降低至 60 MHz。ciwai，youyugongmoeliuquanbulixiang，bingqiechanshengdelouganchongdangchafenlvboqi
，yincichamozaoshengyebeishuaijian。ciwai，chamozaoshengyekenengshoudaoyingxiang，yinweishezhiweiyouhua（CM 扼流圈沒有 PCB），因此一些不對稱組件可能會導致這種額外的阻尼效應。然而，如圖 5 所示，可以清楚地看到，由於插入了共模扼流圈，共模噪聲得到了非常有效的抑製。　

結論

有效的輸入濾波器設計對於滿足開關模式電源傳導發射的 EMI 標準至關重要。通常，EMI 濾lv波bo器qi由you共gong模mo濾lv波bo器qi和he差cha模mo濾lv波bo器qi組zu成cheng，這zhe兩liang個ge元yuan件jian都dou必bi須xu進jin行xing設she計ji和he優you化hua。有you關guan共gong模mo噪zao聲sheng和he差cha模mo噪zao聲sheng貢gong獻xian的de準zhun確que信xin息xi極ji大da地di有you助zhu於yu設she計ji和he優you化hua EMI 輸入濾波器的任務。使用雙輸出 LISN（或兩個相同的 LISN）以yi及ji示shi波bo器qi上shang的de一yi些xie數shu學xue運yun算suan，可ke以yi直zhi接jie在zai示shi波bo器qi上shang分fen離li共gong模mo和he差cha模mo噪zao聲sheng。結jie果guo是shi一yi個ge有you效xiao的de工gong具ju
，可ke以yi使shi用yong每mei個ge電dian源yuan電dian路lu設she計ji人ren員yuan都dou必bi須xu擁yong有you的de示shi波bo器qi的de FFT 功能來優化 EMI 濾波器的兩個部分。

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