基于积木式交错并联的平面全集成EMI滤波器

杨玉岗 那 欣 王长华 冯本成

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 葫芦岛 125105）

1 引言

近年来,随着电磁兼容法规在国内外的严格实施，抑制和减少开关电源的电磁干扰，使之符合电磁兼容（EMC）的标准和规范，已成为电力电子工程师的一个重要课题[1-3]。然而传统的分立元件EMI滤波器一方面体积大，空间利用率低，降低了开关电源的功率密度；另一方面分立元件的寄生参数也降低了EMI滤波器的高频性能。无源集成技术可明显改善分立元件EMI滤波器的这些缺点[4-8,10-13]。

随着便携式电子设备在人们日常生活中的日益普及和广泛应用,电源变换器的整体高度要求越来越低，因此，“扁平化”便成为开关电源的发展趋势之一[11,12]。由于EMI滤波器占据了电源模块15%～20%的空间，因此，开关电源的小型化和轻薄化，不能单纯地依靠有源部分的减小来实现，还需要将无源元件的集成放到与有源元件的集成同等甚至略重的地位上。

为了实现EMI滤波器电感和电容的全部集成，美国弗吉尼亚电力电子研究中心（CPES）做了大量的研究工作[10-12]，并提出了开关电源EMI滤波器的平面无源集成结构[12]；在国内，文献[1]提出的柔性多层带材集成EMI滤波器工艺简单，有较好的发展前景。文献[14]提出了有源和无源滤波器集成的思路，然而，集成滤波器的电容仍然采用分立电容。

为了尽量减少平面无源集成EMI滤波器的体积，文献[12]采用了高介电常数（14 000）的陶瓷材料Y5V，用很小的体积就可以实现很大的电容；为了尽量减少平面集成电感的结构电容，采用了高初始磁导率（10 000）的平面磁心，极大地减少了平面集成EMI滤波器绕组的匝数。然而，高介电常数的陶瓷材料随频率和温度变化时，容值稳定性较差[9]。于是，文献[1]提出了柔性多层带材集成的EMI滤波器结构，但未实现平面化。

由于开关电源在 0.15～0.5MHz频段内主要以差模干扰为主，在其他频段内主要以共模干扰为主[9]；此外，共模电容较差模电容小得多，因此，本文先选用高性能、低介电常数的薄膜介质材料的交错并联来实现共模电容的集成；由于差模电容的值较大，为了尽量减少集成EMI滤波器的体积，选用电气性能较稳定的Ⅱ类陶瓷（X7R）来集成差模电容。而共模电感主要依靠PCB绕组来实现，差模电感完全依靠漏感来实现。

2 电介质材料温度特性介绍

几种电容介质材料的温度特性如图 1所示[8]。由图 1a可知，当温度达到 80℃时，Y5V的容值比25℃时减小80%。而Ⅱ类陶瓷材料（比如X7R和NP0）的相对容值随温度变化改变较小，因此，可作为差模电容的介质材料。由图1b可知，所有薄膜材料在 80℃时容值相对 25℃时变化不超过2%，因此，开关电源中传统的分立型EMI滤波器通常采用薄膜电容做滤波电容。结合文献[9]给出的差、共模噪声频段范围，本文采用X7R集成差模电容，采用薄膜介质材料集成共模电容，从而实现EMI滤波器的平面全集成。

图1 不同介质材料的温度特性曲线Fig.1 Temperature characteristic curve of different dielectric materials

3 平面全集成EMI滤波器的实现

3.1 平面积木式交错并联绕组结构

集成平面EMI滤波器的基本LC单元如图2所示，将此 LC单元安装在平面磁心的中柱，可得到确定的电感和电容值。LC单元极大地减少了集成电容的等效串联电感（ESL）及引线电阻（ESR），因此，LC单元是集成EMI滤波器的一种理想单元。

图2 LC基本单元Fig.2 LC basic cell

根据LC单元的等效电路可得到电容计算公式

式中，εr为介质的相对介电常数；wc为铜箔的面积；d为介质的厚度。

由式(1)可见，对于确定的LC单元，要增大电容量只有两种方法：减少介质厚度或增大介质相对介电常数。由于薄膜介质材料的介电常数较小，介质厚度受击穿电压的限制也不可能做得太薄，因此，欲增大平面集成电容需要另辟蹊径。本文在文献[10]和[15]的基础上，提出LC单元的积木式交错并联绕组结构，可增大平面集成电容，如图3所示。将n个LC单元进行积木式交错并联后的总电容为

图3 多个LC单元的积木式交错并联结构Fig.3 Stacked-type interleaved connected structure of multiple LC cells

3.2 平面全集成EMI滤波器

开关电源EMI滤波器的电路拓扑如图4a所示，平面全集成 EMI滤波器结构必须满足这一电路拓扑。于是利用两个图3所示的结构单元做为两个共模电容Cy，套上E型磁心做为两个共模电感Lcm，两个共模电感的差值作为差模电感Ldm，再串联两个高介电常数的LC单元做为差模电容Cx，即可实现EMI滤波器的全集成，其等效电路如图4b所示。

通常EMI滤波器的共模电容取值较小，其范围是 1～10nF，采用基本 LC单元及薄膜介质材料的积木式交错并联结构完全可以实现共模电容的集成，并且由前面的分析可知，集成共模电容的温度稳定性较好。

通常差模电容Cx的值较大，其范围是 0.1～1μF。由于差模干扰的频带较窄，且频率相对较低，故选用频率较低但介电常数较高且温度稳定性较好的Ⅱ类陶瓷材料X7R来形成两个PCB绕组结构的LC单元，并分别串联在共模电感/电容模块的两端来实现差模电容的集成，并增大了共模电感量，这两个集成的差模电容如图4b所示。

图 4 全集成EMI滤波器Fig.4 Structure of completely integrated EMI filter

4 平面全集成EMI滤波器的参数计算

平面全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不能再忽略，因此共模电感的等效并联电容（EPC）和电容的等效串联电感（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。

5 平面全集成EMI滤波器的高频等效电路及插入损耗

5.1 高频共模等效电路及插入损耗

由文献[15]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[6]，考虑元件寄生参数建立平面全集成EMI滤波器结构的高频共模等效电路如图 5所示。如果在图 5的左端加一小信号源（设其内阻为RS），右端加一负载RL，由二端口网络参数矩阵A的定义可推导出插入损耗的计算公式

参数矩阵A为

式中式中，Zc为共模电容阻抗，ZL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）可得到高频共模等效电路插入损耗的计算公式。

5.2 高频差模等效电路及插入损耗

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差模等效电路，如图5b所示，参数矩阵A为

式中，Ldm为差模电感；Cx为差模电容。

将式（8）代入式（4）可得到差模等效电路的插入损耗计算公式。

图5 平面全集成EMI滤波器的高频等效电路Fig.5 High frequency equivalent circuit of planar completely integrated EMI filter

6 仿真和实验验证

为了验证所提出的平面全集成 EMI滤波器的有效性，采用薄膜介质材料、陶瓷介质材料X7R以及PCB绕组制作了一台实验样机，如图6所示，样机的结构和材料参数见表1。平面全集成EMI滤波器的体积约为 19cm3，为传统 EMI滤波器体积的47.7%[12]。

图6 平面全集成EMI滤波器实验样机Fig.6 Prototype of planar completely integrated EMI filter

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

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，通过将表 3与表2进行比较，证明了理论计算式（2）和式（3）的正确性。

表2 样机参数值Tab.2 Parameters of prototype

（续）

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

根据EMI滤波器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两端的电压。根据式（9）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7给出了一个频率测试点的共模和差模插入损耗电压实验波形。由式（9）可得所有频率测试点的插入损耗值，见表4和表5。

图7 共模和差模插入损耗测试电压波形Fig.7 Test voltage waveforms of common-mode and differential-mode insertion loss

表4 共模插入损耗Tab.4 Common-mode insertion loss

表5 差模插入损耗Tab.5 Differential-mode insertion loss

图8给出了共模插入损耗的计算值、仿真值和测试值曲线，图9给出了差模插入损耗的三条曲线。比较图8中的三条曲线可见，除了在谐振点的差别较大外，其它各点吻合都较好。比较图9中的三条曲线可见，由于给出的高频差模等效电路是理想模型，计算值、仿真值和实验值的差别较大，但是总体的变化趋势还是一致的。此外，考虑到实验并非在严格的屏蔽条件下进行的，样机参数值较小且与周围设备之间存在耦合，再加上实验误差，差模实验结果并非很理想。

图8 共模插入损耗曲线Fig.8 Curve of Common-mode voltage insertion loss

图9 差模插入损耗曲线Fig.9 Curve of Differential-mode voltage insertion loss

7 结论

本文在综合考虑电容介质材料性能、差共模噪声的频率范围和差共模电容量的前提下，提出了基于积木式交错并联的平面全集成EMI滤波器结构。建立了其高频共模和差模等效电路模型，推导了其插入损耗的计算公式，采用薄膜介质材料、陶瓷介质材料X7R和PCB绕组制作了实验样机，样机体积仅为传统分立元件EMI滤波器体积的47.7%，元件数量由七个减少为一个。仿真和实验结果表明所提结构对EMI噪声具有很好的滤波效果，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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