EMC学习笔记（十八）滤波器设计
滤波器设计
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EMI滤波器设计（汽车电子）
1.标准要求
以汽车电子为例：
低压直流电源口(如乘用车的12VDC，商用车的24VDC)的EMI滤波电路设计形态与拓扑，通常由内部电源电路原始噪声&测试标准等级决定以汽车电子标准CISPR25为例,电源口传导测试共有5个等级:CLASS5、CLASS4、CLASS3、CLASS2、CLASS 1;其中CLASS 5 限值线最低，在电源电路原始噪声一定的情况下，要求EMI滤波电路的插入损耗最大，电源电路原始噪声与原理图设计(功率拓扑、吸收电路、驱动电路、功率器件、滤波器件)、PCB设计(布局布线、层级分配、动点面积、环路面积)、结构&线缆设计(屏蔽、接地、隔离、布线)强相关。
当电源电路干扰噪声&测试标准限值确定后，滤波电路即可进行设计。
2.设计理论
2.1 滤波器电路设计过程
电源口EMI滤波设计，与产品电源口EMI噪声、测试标准等级限值要求有直接关系;在产品未成型之前，滤波电路设计更多的是参考历史经验设计，比如:同类产品相同端口行业内TOP友商做法(即:《产品EMC友商分析》)，同类产品相同电源电路拓扑相同端口前期版本做法(即:《产品EMC设计经验总结》)。
真正EMI滤波设计，应在产品成型之后，去掉电源口所有滤波器件(X 电容、Y电容、共模电感)，测试电源口 EMI 原始噪声(即: 裸噪声)，对原始噪声进行差共模分离，确定差共模原始噪声。根据测试标准限值线，考虑6dB余量，确定滤波电路的差共模插入损耗。根据开关频率的频谱特性，确定Y电容值，通过共模干扰转折频率确定共模电感量。
常规共模电感差模分量约为共模电感量的0.5-1%百分比，可按照0.5%进行计算确定共模电感的差模漏感，通过差模干扰转折频率确定X电容，最终确定滤波电路参数。
2.2 插入损耗定义
在滤波电路设计中，通常用插入损耗来反映使用该滤波电路和未使用前信号功率的损失和衰减程度，插入损耗越大，表示衰减越多，滤波效果越好。
2.3 原始噪声测量
将产品的EMI滤波电路全部拆除，测量原始噪声，但要注意EMI原始噪声较高可能超过接收机量程范围，可在端口增加X电容(如:1uF)、Y电容(如:1nF)最后在最终滤波电路中进行补偿。
2.4 插入损耗计算
将原始差模噪声、原始共模噪声，与标准测试限值线对比，考虑6dB 余量，即可得到关键频点(一般为低频段超标最多的第1个频点，如果有2个或多个，应按照滤波器插入损耗特性，比如:1级滤波器，由CLC组成，应按照60dB/十倍频程进行折算，判断哪个低频段超标点为关键频点)差模插入损耗、共模插入损耗。
2.5 滤波失配原则
为了保证滤波电路获得最大插入损耗，滤波电路拓扑必须遵循失配原则;源阻抗或负载阻抗为高阻时，需匹配电容滤波，源阻抗或负载阻抗为低阻时，需匹配电感滤波。电源EMI滤波器选用形式如下表：
高阻和低阻是相对的，差模回路LISN采样电阻50R串联即为100R;共模回路LISN采样电阻50R并联即为25R;假设差模干扰频率为150kHz，需1uF X电容滤波，电容阻抗为1.1R:假设共模干扰频率为10MHz，需103Y电容滤波，电容阻抗为1.6R;负载阻抗差模100R/共模25R相对X电容11R/Y电容1.6R都为高阻具体到电源EMI滤波电路设计，BOOST电路因有PFC电感存在，假设差模干扰频率为150kHz，PFC电感量为100uH，电感阻抗为94.2R(高阻)，故靠近PFC侧滤波电路器件为电容;BUCK电路因有电容存在，假设差模干扰频率为150kHz，差模电容为10uF，电容阻抗为0.1R(低阻)，故靠近BUCK电路侧滤波电路器件应为电感。
2.6 滤波拓扑选择
负载阻抗100Q/25R(高阻)，故靠近LISN 侧第一级应有X电容和Y电容;源阻抗不确定，电源功率拓扑不同，源阻抗不同;比如:BOOST电路，有PFC电感(高阻);BUCK电路，有X电容(低阻);FLYBACK电路，整流桥后一般有差模电感(高阻);如果干扰源为高阻，则滤波器侧应有X电容和Y电容滤波，如果干扰源为低阻，则滤波器侧应有共模电感(差模电感通过共模电感的差模分量实现)滤波电源口常见EMI滤波有一级滤波和两级滤波，EMI滤波电路如下图：
如果采用一级EMI滤波电路结构，等效共模滤波电路结构为CLC，即:共模插损曲线衰减为60dB/+倍频程，等效差模滤波电路结构为CLC，即:差模插入曲线衰减为60dB/十倍频程。
如果采用两级EMI滤波电路结构，等效共模滤波电路结构为CLCLC，即:模插损曲线衰减为100dB/+倍频程，等效差模滤波电路结构为 CLCLC，即:差模插入曲线衰减为100dB/十倍频程。
2.7 滤波参数计算
一级差模EMI滤波器的插入损耗传递函数及其幅频特性，差模噪声的最小频率
点fTdm，如下图:
差模噪声最小频率点处的插入损耗为：
一级差模EMI滤波器的转折频率为fcdm：
两级差模EMI滤波器的插入损耗传递函数及其幅频特性，差模噪声的最小频率fTdm
如下图:
差模噪声最小频率点处的插入损耗为：
两级差模EMI滤波器的转折频率fcdm为：
如果滤波电路采用两级滤波，Ldm1=Ldm=6.5uH，常规共模电感差模感量约共模感量
0.5%，即:
一般情况下，锰锌材质共模电感量很难做到15.7mH，除非电流非常小(1A及以下)，共模电感绕组足够细，绕制圈数足够多，磁芯(锌或非晶)初始磁导率足够高。常规共模电感，小电流(3A 及以下)做到 6mH 比较常见，中等电流(16A左右)做到2mH比较常见，大电流(32A及以上)做到0.8mH 就很不错；对于电流非常大(100A及以上)，基本通过锰锌大磁环穿线方式当共模电感进行滤波。如果电路采用一级滤波进行设计，共模电感设计选型非常困难。如果电路采用两级滤波进行设计，共模电感要求1.3mH，就非常容易实现，故采用两级滤波电路设计。
假设Y1 C=1nF,Y2,Y3=C=4.7nF，两级滤波共模转折频率为:
一级滤波共模转折频率为：
2.8 滤波参数确定
通过计算两级滤波转折频率为107kHz，传导测试起始频率为150kHz，共模干扰频段一般在中频段(0.5-5MHz)和高频段(5-30MH)，按照100dB/十倍频程计算，1.07MHz频点即有100dB插损，共模滤波电路插入损耗足够，最终两级滤波电路设计为:Y电容(1022)-X电容(1uF)-共模电感(13mH)-Y电容(4722) -X电容(1uF)-共模电感 (1.3mH)-Y电容(472*2)-X电容(1uF)滤波电路如下图：
如上内容，详细阐述电源口滤波电路设计计算过程，所有产品电源口滤波电路设计，除测试标准、测试方法、限值要求、产品形态存在差异外，原理实质是相同的以上设计计算过程供类比参考。
