计及混合噪声的集成式EMI滤波器设计

徐晨琛　王世山

（南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室　南京　210016）

计及混合噪声的集成式EMI滤波器设计

徐晨琛王世山

（南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016）

噪声测量是EMI滤波器设计的基础，噪声测量中由于噪声电流的不平衡，一种形成机理类似于共模（CM）噪声却通过差模（DM）模块进行抑制的噪声被称为“混合（MM）噪声”，该噪声对滤波器的设计具有重要的影响。通过分析MM噪声的产生机理，将其区别与传统的DM噪声与CM噪声；探索了DM模块在MM噪声抑制中的作用，DM模块的功能由利用阻抗不匹配原理对噪声进行抑制变为利用阻抗不匹配以及阻抗平衡分别对传统DM噪声和MM噪声进行抑制。以集成式EMI滤波器中的平面型EMI滤波器和母线型EMI滤波器为例，研究了MM噪声对该类滤波器设计的影响，并阐述了考虑MM噪声后对集成式EMI滤波器的制作、材料等方面的影响；基于传统噪声理论及MM噪声理论分别设计了一台EMI滤波器。研究表明，计及MM噪声后设计的EMI滤波器性能更优良。

差模噪声共模噪声混合噪声集成式EMI滤波器噪声分离

0　引言

EMI滤波器是抑制电力电子系统噪声的有效手段，EMI滤波器的合理设计对电力电子系统的稳定性起着重要作用。一种将被测试设备的共模（Common Mode，CM）噪声与差模（Differential Mode，DM）噪声分离，根据实测干扰信号的频谱，通过引入衰减曲线得到转折频率从而确定EMI滤波参数的设计方法能够快速有效地确定EMI滤波元件参数［1，2］。

基于差共模噪声分离的EMI滤波器设计具有一定的有效性，然而在AC-DC电力电子系统中，存在一种产生机制类似于CM噪声，却需要通过DM模块进行抑制的噪声——混合（Mix Mode，MM）噪声［3，4］。

据研究［5，6］，MM噪声的产生是由于噪声测量中，噪声电流在LISN的两个电阻上分布不平衡造成的，该类噪声电流通过LISN中的一个电阻及公共地回路流通，其流通路径类似于CM噪声。由于MM噪声是噪声电流的分布不平衡造成，CM模块对其基本不起作用，DM电容却对其起着明显的抑制作用。

MM噪声的存在对CM噪声和DM噪声的测量值存在影响，CM噪声与DM噪声的测量值决定了滤波器元件参数值，因此，MM噪声影响着滤波器参数值的选取。对于传统分立式EMI滤波器而言，这种对参数值的影响导致的是分立电感与电容选取的不同。对集成式EMI滤波器而言，滤波器的几何结构及其所用材料决定了其电容电感值，MM噪声对滤波器参数值的影响将导致集成式EMI滤波器几何尺寸的改变以及材料选取的不同。

以图1所示集成式EMI滤波器中的平面型EMI滤波器［7］（见图1a）与母线型EMI滤波器［8，9］（见图1b）为例，两者的几何尺寸和所选用的高介电常数材料决定了它们能够集成的电感值与电容值。CM噪声值与DM噪声值决定了它们所需要集成的电感、电容值，MM噪声对CM噪声和DM噪声的影响将直接导致集成式EMI滤波器所需要集成的电感电容值的不同，从而影响了集成式EMI滤波器的几何尺寸与材料的选用。

文献［3］通过建立MM噪声下的电路模型分析了MM噪声机理。文献［4］研究了EMI滤波器中各个模块对MM噪声的影响。MM噪声的研究主要集中在对MM噪声现象的发现与解释及MM噪声模型的建立和测量上［3-6］，而对于计及MM噪声时集成式EMI滤波器的设计有所缺乏，本文在理解MM噪声机理的基础上，研究了MM噪声对EMI滤波器设计的影响，考虑MM噪声后对集成式EMI滤波器进行了设计。

因此，本文将详细阐述MM噪声的机理，研究其对集成式EMI滤波器设计的影响，并将通过实验对此进行验证和分析。

图1　集成式EMI滤波器Fig.1　Integrated EMI filter

1　混合噪声机理与抑制

EMI测试中，电源与待测设备（EUT）通过线路阻抗稳定网络（LISN）相连，LISN为噪声提供稳定的测试阻抗［10］。DM噪声为线与线之间流通的噪声（见图2a），CM噪声为线与地之间流通的噪声（见图2b），测量中DM噪声电压和CM噪声电压通过LISN中两个电阻上的电压、获得，DM噪声电压为

图2　传导噪声耦合路径Fig.2　Noise coupling path of conduct EMI

CM噪声电压为

1.1MM噪声对CM噪声和DM噪声的影响

CM噪声和DM噪声的分析一般是基于EUT中整流桥处于开通状态下，即图2中二极管VD1、VD4同时导通以及VD2、VD3同时导通的情况。

如图2所示，整流桥导通，以VD1、VD4正向导通为例，DM干扰电流通过R1、C1、VD1、Q、VD4、C2和R2回路流通（见图2a）；CM干扰电流分别通过R1、C1、VD1、CP和R2、C2、VD4、CP回路流通（见图2b），VD2、VD3正向导通时情况类似。

在噪声测量过程中由于开关管的对地电容及公共地阻抗的存在，整流桥关断时，噪声通过整流桥中的某一个二极管、对地电容及公共地在LISN的一个电阻上形成噪声电压，即MM噪声电压。

如图3所示，Q关断时噪声电流通过R1、C1、VD1及公共地对寄生电容CP充电（见图3a）；Q导通时寄生电容CP通过VD4、C2、R2及公共地放电，产生放电噪声电流（见图3b）。由此在LISN的某一个电阻上产生的噪声电压即为MM噪声电压。

图3　MM噪声路径Fig.3　MM noise coupling path

MM噪声电压的存在对CM电压和DM电压均会产生影响。以Q关断时为例，此时MM噪声电流只流过LISN中的R1电阻，产生噪声电压V1，LISN中的R2电阻上噪声电压为0。MM噪声电压既反应为DM电压，也反应为CM电压分别为

MM噪声的存在对CM噪声和DM噪声产生影响，但由于某一个时刻MM只沿着某一条路径流通，此时不能采用阻抗不匹配的思想对其进行抑制设计，阻抗匹配设计原理被引入到MM噪声抑制的设计中。

MM噪声影响着DM噪声和CM噪声，但其抑制方法不同与DM噪声和CM噪声，为了对噪声进行有效地抑制，必须将上述噪声分别考虑。

1.2混合噪声的抑制

加入滤波器后的噪声测试的电气原理图如图4所示，其中CX1、CX2为差模电容，CX1与LISN侧连接，CX2与EUT侧连接。

图4　LISN和EMI滤波器Fig.4　Typical EMI filter topology

如图4所示，DM电容对DM噪声的抑制效果取决于与其相连的参数阻抗值之间的不匹配程度，即CX1与LISN差模阻抗的不匹配程度以及CX2与EUT差模噪声源阻抗之间的不匹配程度，阻抗不匹配条件为

MM噪声通过LISN中的某一个电阻流通并在该电阻上产生噪声压降。加入EMI滤波器后由于滤波器DM电容的存在，整个电路的阻抗趋于平衡，MM噪声会被较为“平均”的分配到LISN的两个电阻上，MM噪声被抑制。DM电容对MM噪声的抑制程度决定于MM噪声被平衡的程度，LISN上电流的平衡条件为

在测试EUT的噪声时，由于没有DM电容的存在，MM噪声不能被平衡，影响了测试的噪声值。为了将MM噪声平衡，噪声测试时需要在EUT的前端加上平衡电容Cb如图5所示。以MM噪声对CP充电为例，由于平衡电容的存在，MM噪声被较为平均地分配到LISN的两个电阻上。此时由于LISN中两个电阻上的噪声电压几乎相等，MM产生的DM噪声压降被消除，而CM噪声压降几乎不变。该种测量方法影响了DM噪声值而没改变CM噪声值。平衡电容Cb的选取需要满足

式中，fL为噪声测量起始频率150kHz，R为50Ω。

图5　带平衡电容的噪声测试Fig.5　Noise measurement with balance capacitor

2　集成式EMI滤波器设计

集成式EMI滤波器通过一定的传输线结构实现滤波器中电感、电容的集成［7-9］。与传统的EMI滤波器类似，集成式EMI滤波器设计时也要将其分解为DM滤波器与CM滤波器［11-13］。

2.1集成式EMI滤波器结构

集成式EMI滤波器采用一定介电常数的材料与金属相结合来实现电感、电容的集成，其表现形式有所不同。

集成式EMI滤波器中的母线型EMI滤波器采用带状结构实现集成，如图6所示整个结构以铜条1及其两侧的镍层和铜条2及其两侧的镍层的一端为输入，另一端作为输出。

母线型滤波器中的DM单元与CM单元均由长条型陶瓷基板和喷镀在其两侧的镍层构成如图7所示。但CM单元与DM单元所用的陶瓷材料以及陶瓷板的厚度不相同。

图6　母线型EMI滤波器结构1，2，3—CM模块1　4—铜条1　5，6，7—DM模块8—铜条2　9，10，11—CM模块2Fig.6　Structure of bas-bar EMI filter

图7　母线型滤波器单元Fig.7　Basic unit of bas-bar EMI filter

集成式EMI滤波器中的平面型EMI滤波器以圆环型结构实现集成。“圆环形”平面EMI滤波器以DM电容1的一个端口作为输入端口，另外一个DM电容器的端口9作为输出端口，如图8所示。

图8　平面型EMI滤波器2，3，7，8—铜箔线圈　4，6—LC单元5—漏感层　1，9—差模电容Fig.8　Planar EMI filter

平面型EMI滤波器中CM单元与DM单元均通过在陶瓷基板上双面覆铜构成，但两者所覆铜匝的匝数以及陶瓷基板的介电常数均不相同，其结构如图9所示。

图9　平面型EMI滤波器单元Fig.9　Basic unit of planar EMI filter

集成式EMI滤波器中各个单元尺寸的参数决定了滤波器中电感、电容量的大小。变换器CM噪声与DM噪声的大小决定所需的电感值与电容值。因此，MM噪声的存在影响了集成式EMI滤波器的结构尺寸。

2.2计及MM噪声的集成式EMI滤波器设计

MM噪声的存在影响了CM噪声值与DM噪声值，DM电容值选取合适时，DM电容值不仅能够抑制DM噪声而且能够很好的平衡MM噪声，达到抑制MM噪声的效果。

在EUT噪声测量时，没有DM电容的平衡，MM噪声被反映到CM噪声与DM噪声中，据此噪声值设计出的DM单元只单单体现了其阻抗不匹配的作用，而浪费了其平衡的作用。

为了准确的设计出DM单元中体现其阻抗不匹配作用部分的值并利用其自身阻抗的平衡作用，在噪声测量时首先需要将MM噪声平衡，通过在EUT前端加入平衡电容Cb来平衡MM噪声，如图10所示。

图10　带平衡电容的噪声测试Fig.10　Noise measuring with balance capacitor

根据平衡MM噪声后EUT的实测干扰信号频谱确定滤波器各模块参数：（1）EUT前端加入平衡电容Cb，平衡MM噪声。（2）测量带有平衡电容Cb的EUT噪声值，并分离CM噪声与DM噪声。

（3）将CM噪声与DM噪声的测量值与标准的干扰限制对比，确定CM噪声与DM噪声的衰减目标。

（4）根据衰减目标确定集成式EMI滤波器CM转折频率fcm与DM转折频率fdm。

（5）根据fcm与fdm确定集成式EMI滤波器中CM电感Lcm、CM电容Ccm、DM电感Ldm和DM电容Cdm。

出于安全考虑，CM电容Ccm不能太大，需要先确定Ccm电容值，根据经验，一般设计在1～5nF之间，Ccm电容值确定后确定CM电感值Lcm为

为防止磁心饱和，DM电感Ldm不能太大，Ldm的设计需要考虑外电路，集成式EMI滤波器的设计中Ldm取值在10～20μH之间，DM电容Cdm为

根据上述内容确定集成式EMI滤波器中各个部件的参数值后需要从集成式EMI滤波器本身出发集成出相应的电感、电容值。

集成式EMI滤波器中DM电容极间的介电常数较高，边缘效应可以忽略而当作平行板电容器，其DM电容值Cdm为

式中，εdm是DM模块中基板的介电常数；hdm是DM单元中基板的厚度；sdm是有效的金属层面积。对于平面型EMI滤波器而言，sdm是覆在陶瓷板上有效的环形铜匝面积（见图9），为了增大面积，DM电容采用1匝的铜匝结构（见图9b）。对于母线型EMI滤波器而言，sdm是覆在陶瓷板上长方体结构的有效金属面积（见图7），为了增加母线型EMI滤波器对噪声的“吸收”功能，金属采用镍。

集成式EMI滤波器的CM电容值Ccm为

式中，εcm是CM模块中基板的介电常数；hcm是CM模块中基板的厚度；scm是CM单元中有效的金属层面积。平面型EMI滤波器中，为了实现CM电容与CM电感的集成，采用多匝铜匝的结构（见图9a）。其集成的CM电感值Lcm为

式中，le和Ae为平面型EMI滤波器中CM模块的有效磁路长度和面积；N为集成基板上铜匝的匝数；Ldm的需要值一般较小，通过Lcm的漏感实现。母线型EMI滤波器采用传输线与滤波器结合的形式，其CM模块能够集成的电感量非常小，需要通过外加一定的电感来弥补其电感量的不足。

根据本课题组研究，由解析表达式计算的各模块参数已经可以满足准确度要求，当然也可以采用有限元建立各部分模型，计算各模块参数以进一步提高准确度［14-16］。

3　滤波器设计方案及测试

3.1计及MM噪声集成式EMI滤波器设计实例

本文针对一台PFC+Flyback电路，在未考虑MM噪声以及考虑MM噪声时分别测量该电路噪声并将噪声分离。DM噪声的测量结果如图11所示，通过测量发现平衡电容Cb的加入对起始测试频率以及10MHz左右的DM噪声影响较大。

图11　DM噪声测试Fig.11　DM noise measuring with and without Cb

DM模块中各个元件参数值的确定与DM噪声值的大小息息相关，尤其是起始频率处的噪声值。测量CM噪声，发现Cb电容的加入对CM噪声，尤其是影响参数设计的起始频率几乎无影响，如图12所示。

图12　CM噪声测试Fig.12　CM noise measuring with and without Cb

DM电容在抑制DM噪声的同时通过平衡的方式平衡了MM噪声。以往的测量方法中将MM噪声作为DM噪声的一部分，使得设计出的DM电容值偏大。

采用EN55022A标准，不考虑MM噪声的影响，得到CM噪声与DM噪声衰减目标，如图13所示，确定CM转折频率fcm=90kHz，DM转折频率fdm= 95kHz，设计集成式EMI滤波器各模块参数见表1。

表1　集成式EMI滤波器电磁参数Tab.1　Parameters of integrated EMI filter

加入平衡电容后重新对EUT进行噪声测量，平衡电容的加入对CM噪声影响不大（见图12），而对DM噪声的测试影响较大，重新确定DM衰减目标如图14所示。根据新的衰减目标确定DM转折频率fdm1=105K。CM转折频率几乎不变，CM模块参数不变，计算此时的DM电容值Cdm=80nF。

图14　DM噪声衰减目标（带Cb）Fig.14　Attenuation of DM noise （with Cb）

母线型EMI滤波器的DM电容由高介电常数陶瓷及覆在其两侧的镍层构成（见图7）。由式（12）可知DM电容的值由其基板介电常数、基板厚度以及有效镍层面积决定。

母线型EMI滤波器的制作过程中，厚度的控制最为关键。厚度越薄，越容易造成基板压制过程中的碎裂以及烧制过程中的碎裂、变形。传统工艺中陶瓷片的加工厚度极限是1.0mm、1.5mm和2.0mm的成功率比较高，陶瓷烧制过程中表面变形的程度不明显。

以实验室制备的介电常数为10 000的陶瓷材料CCTO为基板，设计母线型EMI滤波器的DM电容。受限于电力电子系统的体积，DM电容的长度与宽度都有一定的限制。对比设计不考虑MM噪声以及考虑MM噪声下DM电容参数，结果见表2。

表2　母线型DM电容尺寸参数Tab.2　Structure parameters of bus-bar EMI filter

母线型EMI滤波器采用的是传输线与滤波器结合的形式，在保持陶瓷基板的长度与宽度不变的情况下，考虑MM噪声影响，陶瓷基板的厚度可由0.88mm增长到1.1mm。1.1mm厚度的基板已经大大减轻加工工艺的压力，烧制过程中出现裂纹以及表面形变的情况也大大降低，保证了母线型EMI滤波器单元加工的质量。

同样根据噪声衰减目标确定平面性EMI滤波器的转折频率，平面型EMI滤波器DM电容模块设计参数对比见表3。

表3　平面型差模电容尺寸参数Tab.3　Structure parameters of planar EMI filter

保持平面型EMI滤波器基板的厚度与线宽不变，考虑MM噪声后，平面型DM模块上覆着的铜的长度减小，铜线长度的减小使得所需的平面型DM模块的面积减小，降低了滤波器的体积，使平面型EMI滤波器更集成化、小型化。

3.2噪声抑制效果

考虑MM噪声后设计的DM电容能否保证对噪声的抑制是设计是否成功的关键，本文采用实验对此进行验证。

不考虑MM噪声时，以EN55022为噪声抑制标准，抑制本文中的PFC+Flyback噪声，加入集成式EMI滤波器后CM噪声和DM噪声抑制效果如图15所示。

图15　噪声抑制效果Fig.15　Effect of noise suppression

MM噪声影响着集成式EMI滤波器中DM电容的设计，考虑MM噪声后设计的EMI滤波器，对同一变换器进行噪声抑制，其抑制效果如图16所示。

由图15、图16的抑制效果可知，两种方法下设计的EMI滤波器均能将噪声抑制到标准以下，实现了对噪声的有效抑制。

考虑MM噪声后的设计影响了集成式EMI滤波器的几何尺寸，母线型EMI滤波器在保证了EMI滤波器对噪声的抑制效果时降低了对EMI滤波器加工工艺的要求，使得母线型EMI滤波器的模块制备的成功率大大提高。平面型EMI滤波器在考虑MM噪声后的设计减小了平面型EMI滤波器的面积，使得平面型EMI滤波器更加集成化、小型化。

图16　考虑MM噪声后抑制效果Fig.16　Effect of noise suppression with MM noise considering

4　结论

本文阐述了MM噪声的产生机理及抑制方法，研究其对集成式EMI滤波器的设计影响，基于MM噪声理论设计了集成式EMI滤波器，通过实验验证了设计的有效性，得到如下结论：

（1）传统的CM、DM噪声被分解成CM噪声、DM噪声和MM噪声，丰富了噪声分离理论。噪声的有效解耦使滤波器中DM模块和CM模块的设计更具有针对性、有效性。

（2）基于MM噪声理论的集成式EMI滤波器的设计降低了集成式EMI滤波器对加工工艺以及高介电常数材料的依赖程度，使得具有较高介电常数同时具有稳定性的材料成为可能。

（3）采用平衡法测量噪声充分利用了DM电容的“平衡”噪声电流能力，MM噪声理论进一步完善了基于噪声分离的EMI滤波器参数设计，为其参数有效而准确的设计打下基础。

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Integrated EMI Filter Design Considering Mix-Mode Noise

Xu ChenchenWang Shishan
（Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing210016China）

Noise measurement plays an important role in the design of EMI filter. Due to the imbalance behavior of noise current flowing through a LISN，the mix-mode （MM） noise is generated. The generation mechanism of the MM noise is similar to the common mode （CM） noise，but it is suppressed by using differential mode （DM） capacitor. Based on the study of MM noise，the differences between the MM noise and the conventional noise （including conventional DM noise and CM noise） are explored. The suppression mechanism of MM noise is explored. The function of DM part is attributed into two distinct parts： impedance mismatch for conventional DM noise and noise current balancing for MM noise. The bus-bar EMI filter and the planar EMI filter，representative EMI filters of integrated EMI filters，are analyzed. Based on the analyses，the effects of MM noise emission on the design of bus-bar EMI filter and planar EMI filter are explored. The effects on the selection of material and the production of integrated EMI filter are elaborated. The newly designed examples considering MM noise are presented and experiments are carried out to verify the analysis. The effectiveness of the newly designed EMI filters on the suppressing of noise and the accuracy design of the parameter of EMI filters are shown from the conducted experiments.

Differential mode noise，common mode noise，mix-mode noise，integrated EMI filter，noise separation

TM713

徐晨琛女，1987年生，硕士研究生，研究方向为电力电子系统的电磁兼容。

王世山男，1967年生，博士，副教授，研究方向为电力电子系统的电磁兼容、电气设备的多物理仿真技术。

国家自然科学基金（51177071），台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》（DREK2013004），研究生创新基地（实验室）开放基金（kfjj120204）和江苏省高校优势学科建设工程项目资助。

2013-10-09改稿日期 2014-12-02