一种新型的平面无源集成EMI滤波器结构

杨玉岗 冯本成 王长华 李洪珠

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 葫芦岛 125105）

1 引言

在电力电子设备的开关器件上，由于电压和电流发生急剧变化（即du/dt和di/dt很大）而极易产生强烈的电磁干扰[1-3]，因此高频开关电源是一种常见的干扰源，工程师在电源输入端通常安装EMI滤波器来抑制其对电网的干扰，并衰减来自电网的干扰。

在开关电源模块中，EMI滤波器通常由分立元件构成，一般占据电源模块总体积的 15%～20%。为了减少开关电源的体积、提高功率密度，无源集成技术成为电源界研究的热点[4-9]。从美国弗吉尼亚大学电力电子研究中心（CPES）提出电力电子集成的概念至今，其设计理念引起了国内外众多学者的关注，文献[4-6]是CPES关于开关电源EMI滤波器无源集成最突出的研究成果。文献[4]提出了应用于平面无源集成的广义传输线理论；文献[5]提出了开关电源 EMI滤波器的平面无源集成结构；文献[6]将文献[5]所提出的 EMI滤波器结构加以改进并应用于镇流器滤波。在国内，由浙江大学提出的多层带材无源集成技术工艺简单，有较好的发展前景[7-9]。文献[7]采用聚酰亚胺带材，将EMI滤波器的共模电感、差模电感和共模电容集成为一个模块；文献[8]对文献[7]的结构进行了建模，推导出了由分布参数电磁单元组成的电路模型；文献[9]提出了采用多层集成绕组实现 LLC谐振变流器中无源元件集成的方法。与此同时，国内外对开关电源传导干扰的分析和建模也进行了广泛研究[10-15]。关于EMI滤波器无源集成的研究，无论在结构上还是模型的建立上都已经取得了大量成果。然而要使集成EMI滤波器真正投入使用还需一定时间，主要是集成EMI滤波器的材料还存在各种缺陷。平面无源集成EMI滤波器的基本模块是电感-电容模块（LC模块）；高性能的 LC模块要求介质材料具有高的相对介电常数，频率特性和温度特性相对稳定。然而，频率和温度特性稳定的材料（如聚酰亚胺，环氧玻纤布）相对介电常数却较小[16]，使电容集成的难度大于电感。为了提高集成电容量，减小 EMI滤波器的体积，本文提出一种新型的堆积式交错并联平面无源集成 EMI滤波器结构，即采用堆积式交错并联方法并选用高性能覆铜箔层压板（Copper Clad Laminate，CCL）实现EMI滤波器的集成。

2 堆积式交错并联平面无源集成EMI滤波器结构

LC模块结构及其等效电路如图1所示，将其安放在平面磁心的中柱上，可得到确定的电感和电容。LC模块的电容计算式为

式中，εr为介质相对介电常数；ε0为真空介电常数；wc为铜箔面积；d为介质厚度。

由式（1）可见，对于给定的平面磁心，要增大电容，只有两种方法：减小介质厚度或增大介质的相对介电常数。由于选定的CCL介电常数较低，介质厚度受击穿电压的限制也不可能做得太薄，因此增大平面集成电容必须另辟蹊径。本文在文献[6,7]的基础上，提出堆积式交错并联结构，可增大平面集成电容，如图2所示。

图1 LC模块结构及其等效电路Fig.1 Structure and equivalent circuit of LC module

图2 由多个LC单元构成的堆积式交错并联结构Fig.2 Stacked-type interleaved structure of LC cells

由图2可得n个LC单元模块堆积式交错并联后的总电容为

开关电源EMI滤波器的等效电路如图3a所示，包括1个共模电感、两个差模电感、两个X电容和两个Y电容，由这7个无源元件构成的堆积式交错并联平面无源集成 EMI滤波器及其等效电路如图3b和图3c所示。

图3 堆积式交错并联平面无源集成EMI滤波器Fig.3 Stacked-type interleaving planar passive integrated EMI filter

3 平面无源集成EMI滤波器的参数计算

由图 3b可见，集成后的共模电感由两部分组成，其中一部分由PCB或铜箔绕组[6]构成，电感量较大；另一部分由单个LC单元模块上的绕组构成，电感量较小。集成后总的共模电感为

式中，μeff为磁心有效相对磁导率；μ0为真空磁导率；Ae为磁心有效截面积；N为绕组匝数；le为磁心有效磁路长度。

由于制作工艺的限制，由分立元件构成的传统EMI滤波器的两个共模电感不可能做到完全相等，在差模噪声通过EMI滤波器时，会形成一定的差模电感（即漏感），正好可以用来抑制差模噪声。一般分立元件构成的差模电感为共模电感的0.5%～2%，对于平面无源集成的 EMI滤波器，此方法同样适用。得到漏感值的方法有两种：一是测试法，其优点是所得漏感值准确，缺点是必须先做好样机；二是通过理论计算法，其优点是不用先做样机，缺点是理论推导比较繁琐。本文选用第一种方法，以避免繁琐的理论推导和计算。由于开关电源的噪声频率不断升高，在较低频率时可以忽略的寄生参数变得不能忽略，因此共模电感的等效并联电容（Equivalent Parauel Capacitance，EPC）和电容的等效串联电感（Equivalent Series Inductance，ESL）对 EMI滤波器的高频特性具有显著影响[5]。对于EPC的计算，可根据寄生电容储能的原理来推导。而对于ESL的计算，由于采用图1所示结构来集成电容，介质的覆铜厚度一般为几十微米，因此电容的引线实现了最短化，即电容的ESL最小化，可以忽略。对于事先做好的样机，共模电感和电容的直流电阻可以直接测量，两者都表示欧姆损耗。

4 集成EMI滤波器高频模型及插入损耗

4.1 高频共模等效电路模型及插入损耗

由文献[3]可知，在小信号激励下，EMI滤波器可以表征为一个线性无源二端口网络。根据文献

[5]，考虑元件寄生参数，建立所提出平面无源集成EMI滤波器结构的高频共模等效电路模型如图 4a所示。如果在图4a中左端加一小信号源（设其内阻为RS），右端加一负载RL，由二端口网络A参数矩阵的定义可以推导出插入损耗计算公式

式中，A参数矩阵为

图4 新型的平面无源集成EMI滤波器结构高频等效电路模型Fig.4 High frequency model equivalent circuit of new planar passive integrated EMI filter

式中，ZC_cm为共模电容阻抗；ZL_cm为共模电感阻抗；Lcm为共模电感；Cp为共模电感的等效并联电容；Rcm为共模电感的等效串联电阻；Cy为共模电容；Ls为共模电容的等效串联电感；Rc为共模电容的等效串联电阻；ω 为信号角频率。

将式（5）～式（7）代入式（4）可得高频共模等效电路模型插入损耗的计算公式。

4.2 高频差模等效电路模型及插入损耗

由于差模电感完全是依靠漏感来实现的，几乎没有EPC，可以看作纯电感元件；差模电容是采用LC模块来实现的，其 ESL已经最小化了，故选用理想的差模等效电路来代替实际的高频模型，如图4b所示。模型中的A参数矩阵为

其中

式中，ZC_dm为差模电容阻抗；ZL_dm为差模电感阻抗；Ldm为差模电感；CX为差模电容；RS为差模电感直流电阻；LS为差模电容等效串联电感；RSC为差模电容直流电阻；ω 为信号角频率。

将式（8）～式（10）代入式（4）可得高频差模等效电路模型的插入损耗计算公式。

5 实验和仿真验证

采用咸阳众鑫电子材料有限公司的覆铜箔环氧玻纤布层压板制作的平面无源集成 EMI滤波器实验样机如图5所示，样机的结构和材料参数见表1。样机体积为 18.72cm3，比文献[5]中传统 EMI滤波器体积39.8cm3减小53%。

图5 实验样机Fig.5 Prototype of experiment

表1 样机结构及材料参数Tab.1 Parameters of materials and structure

样机的所有参数都是采用高精度元器件分析仪（3255 Automatic Component Analyzer）测得的，见表 2。样机的主要参数计算值见表 3，通过与表 2进行比较，证明理论计算式（2）和式（3）的正确性。

表2 样机参数实测值Tab.2 Parameters of prototype

表3 样机主要参数计算值Tab.3 Calculated main parameters of prototype

根据EMI滤波器共模插入损耗的测试原理，通过改变噪声源的频率，可以测试电阻RL两端电压。根据式（11）可得所测频率点的插入损耗

式中，V1为未接滤波器时 RL两端电压；V2为接上滤波器后 RL两端电压。图 6给出了频率为 5MHz的实验波形，由式（11）可得其他频率测试点的插入损耗值，见表4。

表4 插入损耗测试值Tab.4 Insertion losses of experiment

图6 测试电压波形Fig.6 Test waveforms of voltage

将所有频率测试点的插入损耗值绘制成曲线，如图7中的实测曲线所示，具有很好的滤波效果，证明本文提出的平面无源集成 EMI滤波器结构的有效性。

图7 插入损耗实验测试曲线图Fig.7 Experimental test graph of insertion loss

将表 3中的样机结构和材料参数值代入式（4）～式（7），可得插入损耗的理论计算结果，如图7中的理论计算曲线所示。比较图7中的实验测试曲线和理论计算曲线，可见在考虑实验误差的情况下，在频率小于10MHz时，二者吻合较好，证明理论计算式（4）～式（7）的正确性。

利用 Pspice仿真软件对图 4a中的高频等效电路模型进行仿真，得到其插入损耗曲线如图8所示，比较图8与图7可见，在频率小于10MHz时，二者吻合较好，证明图4a中高频等效电路模型的正确性。

图8 插入损耗仿真曲线图Fig.8 Simulated graph of insertion loss

6 结论

本文提出一种新型的堆积式交错并联平面无源集成EMI滤波器结构，建立了其高频共模和差模等效电路模型，推导了其插入损耗计算公式，选用高性能的覆铜箔层压板（CCL）制作了实验样机，样机体积比传统分立元件EMI滤波器减小53%。实验结果表明所提结构对 EMI噪声具有很好的滤波效果，并验证了高频等效电路模型和插入损耗计算公式的正确性，解决了现有无源集成方法难以增大集成电容的问题。

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