0 前言

上次聊到了EMC的三要素，那這次主要學習了一些基礎的解決方案跟大家分享。EMC主要是解決干擾問題，目前主要的手段有：屏蔽、濾波、接地等方案，本次主要分享的是濾波。

1濾波器介紹

濾波 (Wave filtering)：是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。如傳導、輻射超標，是某個電纜的對外傳導、輻射的，那就可以在敏感信號處進行濾波。

實際上，任何一個電子系統都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制）。頻率特性反映出了電子系統的這個基本特點。而濾波器，則是根據電路參數對電路頻帶寬度的影響而設計出來的工程應用電路。

濾波作用：切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，可與屏蔽共同構成完善的干擾防護。

2濾波器重要指標-插入損耗

插入損耗：插入損耗是衡量濾波電路濾波效果的指標，通常以分貝數或頻率特性曲線來表示。它是指濾波電路接入電路前后，電源傳給負載的功率比或端口電壓比。 IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB) 其中 Po、P2、 Vo、V2分別表示濾波電路接入前后負載端的功率和電壓。

式(1) 中，RL、和 RS，分別表示源阻抗和負載阻抗，a11、a12、a21、a22表示濾波器網絡的A參數，更詳細的計算方法可以參考文獻《EMI電源濾波器的插入損耗分析》。

這里舉個例子，如下圖的差模濾波方案，假設源端阻抗和負載阻抗均為50歐姆，電源輸入1V，濾波電容的阻抗 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負載阻抗并聯后與源阻抗串聯分壓即V2=0.019V，則插入損耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

假設源端阻抗和負載阻抗均為 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負載阻抗并聯后與源阻抗串聯分壓即V2=0.33V，則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。

根據公式和示例，可以知道EMI 濾波器電路在不同的源與負載阻抗的情況下，濾波性能有很大的差異。在一般的濾波器產品說明書中，提供的插入損耗值都是在源阻抗和負載阻抗均為50歐姆的情況下得到的。

在實際使用中，濾波器的端阻抗隨著工作環境的變化而變化，因而對濾波器插入損耗的影響也很大 ，濾波電路也是如此。設計時要求濾波器的插入損耗越大越好，整改時可以根據超標頻率選擇合適的濾波器。

3濾波器類型和選型特征

濾波器根據濾波頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻等，在EMC問題中，最常用的為低通濾波器。

低通濾波器常見的網絡拓撲如下，實際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網絡。主要原因是根據插損的計算方法，在電感靠近低阻，電容靠近高阻時濾波效果最佳。而實際使用時往往不能準確識別源端和負載端的高低組狀態，所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。

舉例如下，在沒有經過CL濾波前，電壓基本都在負載電阻上即1V，加入CL濾波后，負載電壓為濾波電容上電壓的一半為0.25V，插損=20lg1/0.25=12db。

上例的基礎上，調換CL的位置，如下圖，在沒有經過CL濾波前，電壓基本都在負載電阻上即1V，加入濾波后，負載電壓為濾波電容上電壓，為0.001V，插損=20lg1/0.001=60db。

元器件沒有變，只是變換位置，濾波效果的差異很大，原理即：電容靠近高阻，電感靠近低阻才更有效。實際應用選擇：在不知道源端和負載的阻抗高低的情況下，比較合理的就是pi網絡和T型網絡。針對低頻，通常采用電容+電感+電容濾波方式，高頻采用電容+磁珠+電容濾波方式。如PI型，不管ZS、ZL是高還是低，并聯電容后都是低，中間電感靠近低阻為有效狀態。

4 濾波器案例：電源的EMC三要素分析

對于EMC問題，我們在原理圖階段就要進行濾波設計，其要點就是從EMC的三要素出發：

干擾的源頭：降低強度

敏感電路：提高抗干擾能力

干擾耦合路徑：降低路徑效率

下面以開關電源為例，分析其濾波設計方案。開關電源以其效率高、體積小、輸出穩定性好的優點而迅速發展起來。由于開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。如何降低甚至消除開關電源的 EMI 問題已經成為開關電源設計師以及電磁兼容(EMC)設計師非常關注的問題。

開關電源的干擾，既有共模干擾，也有差模干擾。 對于差模干擾：其存在于L-N線之間，電流從 L 進入，流過整流二極管正極，再流經負載，通過熱地，到整流二極管，再回到N。在這條通路上，有高速開關的大功率器件，有反向恢復時間極短的二極管，這些器件產生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機檢測到，導致傳導超標。 對于共模干擾：共模干擾是因為大地與設備電纜之間存在寄生電容，高頻干擾噪聲會通過該寄生電容，在大地與電纜之間產生共模電流，從而導致共模干擾。

根據干擾產生的原因和經驗，低頻如150kHz-1.5MHz，以差模為主，1.5MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后高頻部分基本上是共模干擾為主。我們先以差模干擾為例展示干擾的源頭、耦合路徑和測試的敏感電路。從干擾源頭看，開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。

從耦合路徑看，待測設備（EUT）的電源端口是干擾源，測試儀器為敏感電路，則從儀器的連接關系看，電源端口的干擾經過AC頭接入了LISN的采樣電阻（50歐姆），再經過測試儀器內部的采樣電阻50歐姆，整個采樣電阻接近100歐姆。當采樣電阻上的電壓超標，則傳導的干擾超標。

進一步轉化為如下電路模型，來看干擾的通路。噪聲主要由 di/dt 引起，通過寄生電感，在火線和零線之間的回路中傳播，在兩根線之間產生電流 ldm ，不與地線構成回路。

由 Vdm 驅動的 Idm 導致輸入 AC 端口差模干擾，LISN +儀器的采樣阻抗為 100歐姆，開關電源的接口沒有濾波時，則很容易傳導測試超標，干擾都在敏感設備上（采樣電阻為高阻，VDM的ZC+ESR為低阻）。

干擾電壓幅度為：Vdm：

這種情況下，針對電源口的EMC濾波就可以考慮電容方案，接口加差模濾波電容，C1通常為100nF~2.2uF的聚醋X2電容。

X電容，常用做抑制電源電磁干擾，一般安裝到電源火線與零線之間，而且起到的作用都是差模濾波。X1電容耐電壓更高，在一些更高電壓的電路中要使用X1安規電容，X1 >2.5kV ≤4.0kV ；X2 ≤2.5kV。

電容容值選型原則：根據電容的阻抗-頻率特性曲線進行選型，在需要濾波的頻點上，讓電容的阻抗盡可能小，即讓干擾電流更多的流向大地，而不是流經測試儀器的采樣電阻。因此根據差模干擾為低頻干擾，頻段在150kHz-1.5MHz，可選100nF~2.2uF電容，再結合耐壓確認電容型號。

假設傳導測試時，超標比較多，則考慮PI型濾波器。L1，L2，C1，C2 構成低通 PI 型濾波器，L1、L2通常為100 ~300uH鐵粉芯電感，也可由共模電感的漏感形成，C1，C2通常為 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2電容。

4 結論

解決EMI問題從源頭考慮進行濾波，效果更好，如開關電源，從端口進行傳導濾波。設計濾波時，需要針對傳導干擾的特性，有針對性進行濾波器件選擇。并且遵循電容靠近高阻，電感靠近低阻的原則，才能獲取較好的濾波效果。

通常在傳導測試中，首先分析干擾性質，通常低頻超標的濾波方案，主要電容和PI濾波電路，也可以考慮差模電感，在開關電源設計前需要增加差模濾波電路。