DC/DC转换器传导EMI-第2部分 噪声传播和滤波

DM 和 CM EMI 滤波

无源 EMI 滤波是最常用的 EMI 噪声抑制方法。顾名思义，这类滤波器仅采用无源元件。将这类滤波器设计用于电力电子设备时特别具有挑战性，因为滤波器端接的噪声源（开关转换器）和负载（电线线）阻抗是不断变化的 ^{[2] [3]}。

图 4a 显示了传统的型 EMI 输入滤波器，以及整流和瞬态电压钳位功能（为直流/交流输入供电的 DC/DC 转换器提供 EMC 保护）。此外，图 4 还包括本系列文章第 1 部分中的 LISN 高频等效电路。

图 4：传统的 EMC 输入滤波器 (a)，包括 DM 等效电路 (b) 和 CM 等效电路 (c)。

典型 EMI 滤波器的两个 CM 绕组相互耦合，这两个绕组的 CM 电感分别为 L_CM1 和 L_CM2。DM 电感 L_DM1和 L_DM2分别是两个耦合的 CM 绕组的漏电感，并且还可能包括分立的 DM 电感。C_X1和 C_X2为 DM 滤波器电容，而C_Y1和C_Y2为 CM 滤波器电容。

通过将 EMI 滤波器去耦为 DM 等效电路和 CM 等效电路，可简化其设计。然后，可以分别分析滤波器的 DM 和 CM 衰减。去耦基于这样的假设，即 EMI 滤波器具有完美对称的电路结构。在实现的对称滤波器中，假设 L_CM1 = L_CM2= L_CM，C_Y1 = C_Y2 = C_Y，L_DM1 = L_DM2 = L_DM，并且印刷电路板 (PCB) 布局也完美对称。DM 等效电路和 CM 等效电路分别如图 4b 和图 4c 所示 ^[4]。

但是，严格来说，实际情况下并不存在完美对称，因此 DM 和 CM 滤波器并不能完全去耦。而结构不对称可能导致 DM 噪声转变成 CM 噪声，或者 CM 噪声转变成 DM 噪声。通常，与转换器噪声源和 EMI 滤波器参数相关的不平衡性可能导致这种模式转变 ^[5]。

DM 和 CM 噪声分离

传导 EMI 的初始测量结果通常显示 EMI 滤波器衰减不足。为了获得适当的 EMI 滤波器设计，必须独立研究待测设备 (EUT) 产生的传导发射的 DM 和 CM 噪声电压分量。

将 DM 和 CM 分开处理有助于确定相关 EMI 源并对其进行故障排除，从而简化 EMI 滤波器设计流程。正如我在上一部分强调的那样，EMI 滤波器采用了截然不同的滤波器元件来抑制 DM 和 CM 发射。在这种情况下，一种常见的诊断检查方法是将传导噪声分离为 DM 噪声电压和 CM 噪声电压。

图5 显示了无源和有源两种实现形式的 DM/CM 分离器电路，该电路有助于直接同时测量 DM 和 CM 发射。图 5a 中的无源分离器电路^[4] 使用宽带 RF 变压器（如 Coilcraft 的 SWB1010 系列）在 EMI 覆盖的频率范围内实现可接受的分离结果，其中 T₁ 和 T₂ 的特征阻抗 (Z_O) 分别为 50Ω 和 100Ω。将一个 50Ω 的电阻与 DM 输出端口的频谱分析仪的输入阻抗串联，实现图 3 中提供的 V_DM 表达式的“除 2”功能。

图5：实现的用于分离 DM/CM 噪声的无源 (a) 和有源 (b) 电路。

图 5b 展示的是使用低噪声、高带宽运算放大器的有源分离器电路 ^[6]。U₁ 和 U₂实现了 LISN 输出的理想输入阻抗矩阵，而 U₃ 和 U₄ 分别提供 CM 和 DM 电压。L_CM 是一个 CM 线路滤波器（例如 Würth Elektronik 744222），位于差分放大器 U₄ 的输入端，用于增大 DM 结果的 CM 抑制比（共模抑制比)最大限度地减少 CM/DM 交叉耦合。
 

实际电路示例 - 汽车同步升压转换器

考虑图 6 中所示的同步升压转换器。该电路在汽车应用中很常见，通常作为预升压稳压器在冷启动或瞬态欠压条件下保持电池电压供应 ^[7]。

图 6：汽车同步升压转换器（采用 50Ω/5μH LISN，用于 CISPR 25 EMI 测试）。

在车辆底盘接地端直接连接一个 MOSFET 散热器，可以提高转换器的热性能和可靠性，但共模 EMI 性能会受到影响。图 6 所示的原理图中，包含升压转换器以及 CISPR 25 建议采用的两个 LISN 电路（分别连接在 L1 和 L2 输入线上）。

考虑到升压转换器的 CM 噪声传播路径，图 7 将 MOSFET Q₁ 和 Q₂ 替换为等效的交流电压流和电流源 ^[8]。图 7 中，还呈现了与升压电感 L_F、输入电容 C_IN 和输出电容 C_OUT 相关的寄生分量部分。特别是 C_RL-GND，它是负载电路与底盘 GND 之间的寄生电容，包括长负载线和布线以及下游负载配置（例如，二次侧输出连接到底盘接地的隔离式转换器，或者用大型金属外壳固定到底盘上的电机驱动系统）所产生的寄生电容。

图 7：具有 LISN 的同步升压拓扑的高频等效电路。只有在 LISN 中流动的 CM 电流路径与 CM 发射测量相关。

漏源开关（SW 节点）电压的上升沿和下降沿代表主要的 CM 噪声源。C_P1 和 C_P2 分别代表 SW 与底盘之间以及 SW 与散热器之间的有效寄生电容。图 8 显示了 SW 节点电容（电场）耦合为主要 CM 传播路径时简化的 CM 噪声等效电路。

图 8：连有 LISN 的同步升压电路及其简化 CM 等效电路。

总结

对于电力电子工程师而言，了解各种电源级拓扑中 DM 和 CM 电流的相关传播路径（包括与高 dv/dt 和 di/dt 开关相关的电容（电场）和电感（磁场）耦合）非常重要。在 EMI 测试过程中，将 DM 和 CM 发射分开处理有助于对相关 EMI 源进行故障排除，从而简化 EMI 滤波器设计流程。

在即将发表的本系列文章第三部分中，将全面介绍影响转换器开关性能和 EMI 信号的电路元件寄生部分。