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EMI电源滤波器的插入损耗分析

时间:04-11 来源:互联网 点击:

摘要:在一般EMI滤波器的共模和差模等效电路的基础上,分析了源阻抗和负载阻抗对滤波器插入损耗的影响。提出了共模插入损耗和差模插入损耗的计算方法,推导了滤波器插入损耗与阻抗关系的表达式,并且对这一关系作了仿真分析,仿真结果验证了理论计算和分析的正确性。
关键词:EMI滤波器;插入损耗;共模;差模

随着电子设备的不断增多,电磁干扰(EMI)现象越来越严重。在传导干扰中,以电源线传导干扰最为严重。抑制电源线上干扰的主要途径是使用EMI滤波器,通常用插入损耗表征滤波器的特性。然而,在实际使用时,即使EMI滤波器的插入损耗设计达标,也有可能因为源阻抗和负载阻抗的变化而得不到最佳的滤波效果。
本文针对EMI滤波器的共模和差模插入损耗进行计算分析,并研究滤波器源阻抗与负载阻抗的变化对滤波器性能的影响,通过仿真验证了方法的有效性。

1 EMl滤波器的插入损耗
EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为:没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后,从噪声源传输到负载的功率P2之比,用dB表示,滤波器接入前、后的电路如图1所示。

滤波器插入损耗的表达式为

式(1)中,RS和RL分别表示源阻抗和负载阻抗;a11、a12、a21、a22表示滤波器网络的A参数。
根据式(1)可推导出共模插入损耗的表达式为

同理根据式(1)可推导出差模插入损耗的表达式为



2 源阻抗、负载阻抗对插入损耗的影响
EMI电源滤波器在不同的源与负载阻抗的情况下,滤波性能有很大的差异。在一般的滤波器产品说明书中,提供的插入损耗值都是在源阻抗和负载阻抗均为50 Ω的情况下得到的。在实际使用中,滤波器的端阻抗随着工作环境的变化而变化,因而对滤波器插入损耗的影响也很大。
引用美国测量的源阻抗和负载阻抗的变化范围,在10 kHz~10 MHz(军标CE102规定的抑制频率范围),源阻抗变化范围为0.1~178 Ω,负载阻抗变化范围为0.007~10 kΩ。
(1)共模插入损耗的分析。
对式(2)进行变换得

显然,当f(RS,RL)取最小值时,ILCM达到最小值。式(6)中,当RL不变时,RS取最大值时,f(RS,RL)取最小值。
如图2(a)所示,当负载阻抗RL不变时,源阻抗RS越大,共模插入损耗越小。当负载阻抗变大时,共模插入损耗随之变大。如图2(b)所示,当源阻抗RS不变时,负载阻抗RL越大,共模插入损耗越大。当源阻抗变大时,共模插入损耗逐渐减小。


以上结论可以总结为阻抗最大失配原则,即低源阻抗与高负载阻抗的条件下,失配程度越大,滤波器效果越好。若负载阻抗大于源阻抗,则式(4)可化简为

源阻抗在近似计算的过程中可以被忽略,而负载阻抗对共模插入损耗的影响程度是不同的。图3所示为源、负载阻抗分别为0.1/100 Ω、50/1M Ω时插入损耗的比较情况。可以看出,高频段中负载变化对插损影响并不大,50/1M Ω虽然属于阻抗严重失配的情况,但是源阻抗不趋近于零,而只是小于负载阻抗而已。由式(7)分析可知,在源阻抗小于负载阻抗的条件下,忽略源阻抗的影响,负载阻抗对插损的影响成反比,即负载阻抗越大,共模插人损耗越小;反之,则越大。


如图4所示,RLo的取值随着频率的增加而减小,当RLRLo时,共模插损逐渐减小。当RL>RLo时,共模插损逐渐增大。

 

 

(2)差模插入损耗的分析。
由式(3)可知,令

由式(8)中可以看出,当RS和RL同时增大时,g(RS,RL)也随之增大。如图5所示,同时增大源、负载阻抗,差模插入损耗逐渐增大。

若阻抗失配的条件下,即源阻抗小于负载阻抗,式(8)可化简为

负载阻抗在近似计算中可以被忽略,而源阻抗对差模插入损耗的影响是不同的。图6所示为源、负载阻抗分别为0.1/100Ω、50/1MΩ、100/1MΩ时,差模插入损耗的比较隋况。由式(7)分析可知,在源阻抗小于负载阻抗的条件下,忽略负载阻抗的影响,源阻抗对插损的影响成正比,即源阻抗越大,插损越大;反之,则越小。

3 结束语
通过对EMI滤波器共模和差模等效电路进行分析,推导出共模、差模插入损耗的计算表达式,并且分别对不同源、负载阻抗对共模、差模插入损耗的影响做了分析,得出如下结论:
(1)对共模插损来说,在低源阻抗/高负载阻抗的条件下,失配程度越大,共模插损越高,滤波器性能越好。当源阻抗小于负载阻抗时,忽略源阻抗的影响,负载阻抗对插损的作用成反比,即负载阻抗越大,共模插入损耗越小;反之,则越大。
(2)对差模插耗来说,在高源阻抗/高负载阻抗的条件下,差模插入损耗越高。当源阻抗小于负载阻抗时,源阻抗对差模插入损耗的作用成正比,即源阻抗越大,插损越大;反之,则越小。
(3)RLo的取值随着频率的增加而减小,当RLRLo时,共模插损逐渐减小。当RL>RLo时,共模插损逐渐增大。

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