MPS | 利用滤波电容与电感抑制辐射EMI --- 特性分析与设计方法

利用滤波电容以及电感来抑制EMI是常见的降噪手段之一。
对于辐射EMI来说，
滤波元件的阻抗特性是怎样的呢？
而我们又应该如何进行设计呢？
美国佛罗里达大学电子与计算机工程系终身正教授，IEEE Fellow (IEEE 会士) --- 王硕老师，以一个双有源桥变换器为例，分享了滤波元件的特性与设计方法。
一、双有源桥变换器的辐射EMI模型
https://uploadcdn.oneyac.com/upload/news/html_check/1675650113582_9335.png图1 双有源桥变换器的拓扑与实物图。
图1为双有源桥变换器的拓扑以及实物图。从图1中可见，输入和输出各有一段导线。根据我们之前的分享可知，变换器的输入与输出线相当于一对双极天线（Dipole Antenna）。这个高频的共模电压会在输入、输出线上激励出高频的共模电流IA，并以电磁场的形式向外辐射能量。如图2（a）所示，天线的能量可以看成以下几部分：一部分在两极之间相互转换，并不辐射到空间去，这部分无功对应的阻抗可以用jXA表示；一部分是发射出去的能量，用Rr来表示；最后一部分是天线上的电流在其本身电阻上产生的损耗，以Rl表示。而变换器的模型则可以通过一个等效噪声源VS和源阻抗（实部RS和虚部XS）来表示。因此，一个通用的辐射EMI模型即可通过图2（b）的形式来表示。其中，VS代表噪声源，η为波阻抗，D为方向性，表示该方向上的最大功率密度与半径为r的球面平均功率密度之比，KE为电场强度系数。显然， KE与辐射电场强度成正比。天线阻抗和变换器的阻抗都可以通过测试得到，具体的方法可以参考之前的讲座（点击观看：高频共模电流、电压和阻抗的测量）。
二、辐射EMI尖峰产生的原因
现在让我们分析下KI和KE的表达式。如式（3 - 4）所示，由于XS和XA既可能是容性又可能是感性，它们有可能会相互抵消，此时如果RS + RA较小，则会在频谱上面观察到一个尖峰。图3为双有源桥变换器源阻抗和天线阻抗的测量结果。我们可以看到XS和XA的曲线一共发生了四次交越，但只有当它们相位相反时，才意味着这两部分是抵消的（①和②处）。另外，由于在②处，RA有近千欧姆，因此此时不太会出现尖峰；相比之下，①处的RA仅约100欧姆。①处的频率约为167MHz。