開關電源傳導EMI仿真與濾波電路設計

蔣云富，盧偉斌，王嘉義

開關電源傳導EMI仿真與濾波電路設計

蔣云富，盧偉斌，王嘉義

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲，412001）

本文基于開關電源的高頻模型，建立了DC/DC變換器的傳導EMI仿真模型，提出了一種基于傳導EMI仿真模型進行變換器電磁兼容設計方法，利用仿真結果設計巴特沃斯濾波電路參數，確定衰減目標、輸入阻抗和截止頻率，最后通過對比仿真驗證所設計濾波電路的有效性。

傳導EMI；高頻建模；濾波電路

0 引言

隨著軌道交通技術的飛速發展，對變換器體積、重量提出更為嚴苛要求，而高頻化有效降低磁性元件體積、重量，是變換器發展主要方向。但在提升功率和增大工作頻率的應用場合，高頻化引起更高的d/d和d/d，造成更強的電磁干擾（EMI）。而開關電源的對外電磁干擾主要包括傳導和輻射。其中電源線上的傳導EMI不僅使得傳導電磁干擾加劇，也影響著輻射。因此，分析并降低傳導EMI就顯得更為重要。

1 開關電源高頻參數建模

開關電源的工作頻率和干擾電流的頻率都非常高。國標《GB/T 24338.4-2018軌道交通電磁兼容第3-2部分：機車車輛設備》中功率變換器對外傳導EMI測試頻率范圍為150 kHz～30 MHz。為了能夠準確模擬開關電源工作時干擾情況，需要建立開關電源及其關鍵元件的高頻模型。

變壓器是開關電源產品的核心元件，在進行一般電路仿真時通常假定其為理想變壓器。但在傳導EMI分析中，其包含的漏感、分布電容等寄生參數是引起干擾的主要原因。因此，需要建立含寄生參數的變壓器高頻模型。變壓器高頻模型如圖1所示，模型中包括原邊、次邊的漏感、電阻和電容，以及原邊、次邊之間的電容。

圖1 變壓器高頻模型

開關管三個端子之間的電容也是引起干擾的主要原因，在考慮端子間電容的情況下，建立MOSFET高頻模型，如圖2所示。

圖2 MOSFET高頻模型

模型中的三個電容按下式（1）確定：

式中，C、C、C可以通過器件產品手冊得到，端子雜散電感合并到引線中。

二極管中影響干擾的參數主要是與反向恢復有關的Q和二極管結電容C。建立的二極管高頻模型如圖3所示。

圖3 二極管高頻模型

實際電路中三類無源元件均包含不同的寄生參數。實際電容的高頻模型如圖4所示：從模型看出，實際的電容中寄生有串聯的電感和電阻。實際電感高頻模型如圖5所示，電感上并聯一個寄生電容，寄生電阻可以整合到引線中。實際電阻高頻模型如圖6所示：電阻上并聯了一個寄生電容，寄生電感串聯其上。

圖4 實際電容高頻等效模型

圖5 實際電感高頻等效模型

圖6 實際電阻高頻等效模型

開關電源中的功率管和磁性元件一般通過導熱硅脂安裝在散熱器上，元件與散熱器之間會產生寄生電容。此類寄生電容可以通過式（2）估算：

開關電源中各種元器件通過電纜連接，除銅牌和母排連接外，導線中寄生參數需要在高頻模型中體現。導線的電阻可以通過電阻計算公式得到，導線上的寄生電感按1uH/m來估算。

2 傳導EMI仿真及分析

在開關電源高頻模型的輸入端和電源之間增加LISN（線路阻抗穩定網絡），即可分析被測產品的傳導干擾情況，再通過電路仿真建立傳導EMI仿真模型。

首先建立開關電源的理想模型并進行時域分析，以驗證開關電源的基本功能。本文建立一款DC/DC變換器，其理想電路如圖7所示，其主要參數如表1所示。根據計算、實測及產品手冊，確定各個部件的高頻參數如表2所示。

圖7 DC/DC變換器理想電路模型

表2 各部件高頻參數

根據以上參數，將LISN添加到電源與變換器輸入端建立變換器傳導EMI模型，如圖8所示。

通過電路仿真得到LISN上兩個50 Ω電阻的電壓波形，從而求出差模干擾和共模干擾，再通過FFT變換將時域波形轉變到頻域，具體方法為：

1）建立包含LISN在內的變換器高頻仿真模型，通過時域分析得到V和V；

2）根據式（3），得到時域下差模干擾波形和共模干擾波形；

3）由于標準中以μV為評價單位，因此需將2）中波形擴大106倍，將V轉為μV；

4）選擇3）中波形的一個穩定周期作為時域向頻域變換的依據；

5）對4）中選定的數據做FFT變換，得到干擾的頻域波形。

圖8 DC/DC變換器傳導EMI模型

仿真模型輸出波形如圖9所示，分析后變換器的共模干擾頻域波形如圖10所示，差模干擾頻域波形如圖11所示。從波形可以看到，差模干擾在低頻段超標且大于共模干擾一倍以上。因此，在傳導EMI整改中重點考慮對差模干擾衰減。

3 EMI濾波器設計

通過以上的分析和仿真，可知變換器在低頻段不滿足標準要求，需設計相應濾波器使變換器滿足要求。

圖9 仿真模型輸出波形

圖10 差模干擾頻域波形

圖11 共模干擾頻域波形

EMI濾波器典型電路如圖12所示。圖中的C是正負線間的電容起到差模濾波作用；C是線對地電容，能夠衰減共模干擾；電感按繞制的方式不同，分別對差模干擾和共模干擾起到衰減的作用。EMI濾波電路設計實質上就是低通濾波電路的設計，其中巴特沃斯法設計簡單，性能優越，得到廣泛應用。

根據圖8所示EMI傳導模型的干擾特性進行巴特沃斯法濾波器設計，主要有以下幾個步驟：

1）確定衰減目標

從圖10的低頻部分可知，在150 kHz處干擾達115 dB，按標準此處不能超過99 dB，因此需要至少衰減16 dB。從圖10的趨勢上看，如果150 kHz處能衰減16 dB后續部分即不會超標。因此，衰減目標確定為：150 kHz處衰減30 dB。

2）確定濾波電路階數及截止頻率

考慮到簡化電路結構，采用3階濾波電路。根據巴特沃斯衰減特性可知，3階濾波電路要達到30 dB的衰減量頻率要到3×，即衰減目標為150 kHz處衰減30 dB，因此，濾波電路的截止頻率選在50 kHz。

圖12 濾波器典型電路

3）確定特征阻抗

濾波電路一端接電源，另一端接變換器輸入端，電源端由于有LISN的存在阻抗穩定，變換器端阻抗隨頻率變化，因此，濾波電路的特征阻抗由變換器的輸入阻抗決定。建立如下圖13所示的二端口模型，通過二端口分析得到電路的輸入阻抗幅頻特性曲線，如下圖14所示。圖中50kHz的幅值是53.447dB。進而計算出輸入阻抗的模，如式（4）所示：

4）計算巴特沃斯低通濾波電路參數，如式（5）所示。

圖13 變換器二端口阻抗仿真模型

圖14 輸入阻抗幅頻特性曲線

5）Cy電容計算

變換器干擾主要來自差模，Cy電容只需要保證安全。設單個Y電容允許的漏電流為0.1 mA，可按式（6）計算Cy值。

6）濾波電路效果驗證

為了驗證所設計的濾波電路的有效性，建立了如下圖15所示的仿真電路。根據仿真方法，可以得到包含濾波電路和未包含濾波電路時干擾頻譜圖，如圖16所示。

圖15 增加了濾波電路的EMI仿真模型

圖16 未包含（上）、包含濾波電路（下）差模頻譜圖

從圖15所示的差模頻譜對比圖中可知，150 kHz處的幅頻由115 dB降低到83 dB，降低了32 dB，符合衰減30 dB的設計目的，也滿足了標準要求。同時，在其他頻點上也有相當的衰減。增加了濾波電路后，變換器傳導EMI能夠滿足要求，驗證了設計方法的有效性。

4 結論

本文討論了高頻開關電源的傳導EMI建模、仿真的方法，根據仿真結果設計了濾波電路，并驗證濾波電路的有效性。為在設計階段定性、定量分析傳導EMI問題提供了一種有效的方法。

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Simulation of the EMI conduction and design of the filtering circuits for the switching power supply

Jiang Yunfu, Lu Weibin, Wang Jiayi

(Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)

TM921

A

1003-4862（2024）03-0065-05

2023-09-05

蔣云富（1985-），男，高級工程師，研究方向：大功率變流技術。E-mail：jiangyf2@csrzic.com

王嘉義（1988-），男，高級工程師，研究方向：大功率變流技術。E-mail：wangjy9@csrzic.com