EMI滤波器设计(下)
参考文章
B站up口算Maxwell方程组的视频课程三：EMI 滤波器设计方法
滤波器插入损耗IL的定义
推荐阅读
CSDN作者cclistem81的文章滤波器插入损耗推导
插入损耗越大 ，表示 滤波器的效果就越好
滤波器基本设计流程
对于EMI滤波器的设计部分，我在EMC设计-【开关电源】的EMI滤波器小结有所介绍，这里我们更加深入的去学习它。
- 首先要获取它的差模噪声和共模噪声，可以通过电压分离器进行分离或者电流探头用电流法来获得
- 随后，需要确认限制基线，然后在原始噪声的基础上减去限制基线后再加上 6dB 的裕量
- 噪声源内阻抗提取可以通过
**插入损耗法**和**散射参数法**来获取。- 再根据阻抗失配原则，确定滤波器拓扑结构
- 确定拓扑结构后，就可以先从安规电容入手，确定完电容，再考虑大块头电感
- 因为电感内有高频电磁场，易干扰外部元器件，因此还需要考虑摆放位置即分布参数
- 也要考虑元器件之间的近场耦合
- 电感的感值并不是一成不变的，因此还要考虑其非线性
- 最终进行 EMI 测试，如果测试不合格就要考虑回到步骤 5 上
(ps:差模电感来自于共模电感的漏感，因此共模电感优先考虑，如果差模噪声依旧严重就再考虑差模电感)
EMI 原始噪声的测量
该部分在EMC设计-【开关电源】的噪声源内阻抗提取方法小结介绍过！我们再来复习一下！
电流法中，LN 线噪声同方向，其是共模噪声；LN 线噪声反方向，其是差模噪声
高精度获取噪声的值，是需要放在 EMI 精密实验室里来使用高精度设备来测量的，对于设计车辆等，很有必要，但是对于初步设计，或者预算较少的设计，可以使用简易的电流探头按上图环绕即可。
其中，电流探头并非示波器自带，而是使用共模电感的磁芯或者购买 EMI 探头
确定所需的插入损耗
要保证加入滤波器后，其噪声会降到 EMI 限制线以下，保证ILdm = DMori - Limitpk + 6dB
噪声源内阻抗提取方法
将开关电源视作两端网络，通过接入的 RLISN 的方式不同，可以获得其共模噪声电流值和差模噪声电流值
滤波器拓扑失配原则
LISN 端出现高阻元件，在滤波器设计时，接临 LISN 端就需要接入低阻元件来和它匹配，同样 Supply 端出现高阻/低阻元件，滤波器接临 Supply 端的元器件就需要采用低阻/高阻元件和它相匹配，这就是拓扑失配原则。
确定滤波器阶数
一阶模型插入损耗模型
其中 vcm1 为没有 EMI 滤波器是的共模噪声，vcm2 为加入一阶滤波器后的共模噪声。将二者相比，就获得了共模的插入损耗:
对于差模的插入损耗，同样的道理:
其中，斜率是由 s3 部分的系数来决定的。
我们在EMI滤波器设计(上)-Y电容小结中，知道了Y电容的选型需要考虑哪些参数，以及相关公式。对于共模噪声，CY可以先依据限制漏电流值来分析得到(EMI滤波器的限制漏电流值是需要根据规范范围首先确认的)，随后求出Lcm即可。
二阶 EMI 滤波器插入损耗模型
选择设计滤波器电路
样机的总噪声主要来自差模信号，且样机没有地线，所以需要针对差模信号设计 EMI 滤波器。测试时需要并联一个 2uF 电容进行测试(因为原始差模噪声比较严重，可能会突破测试设备上限，因此先并上 2uF 电容得出测试噪声)，后面再将得到的噪声转换成实际原始噪声。
试思考:如何将得到的并上 2uF 的测试噪声数据转换成原始噪声？
得出需要整改的部分
最后再将实际原始差模噪声与 标准线(标准线网络上就有数据其中分为 ClassA 和 ClassB 等) 进行比较，再加 6dB 的裕量( 可以将标准线下移 6dB )，可以得到需要插入的损耗曲线。
上图，两线有交点，以交点作为分界线，左侧为超过标准线的部分即需要整改的部分，右侧为再标准线一下的部分，无需考虑。
有了整改的范围，也知道了一阶二阶滤波器的设计思路，让我们分析一下实例吧！
一阶EMI滤波器设计实例
接下来根据一级差模 EMI 滤波器的插入损耗传递函数和幅频特性图结合需要的插入损耗图得出fcdm
由上图可以得到 Vdmreq = 90dB，将其带入下面公式得——
进而可以选取 Cx1、Cx2 和 Ldm
一般的，为了追求对称美观，C x1 和 Cx2 的值要尽量相同，因此令 Cx1 = Cx2 = 2uF(Cx1、Cx2挑选值后，得到的Ldm值要尽量保证为常用值)
二阶EMI滤波器设计实例
共模电感小知识
共模电感的漏磁来作差模电感，漏磁是不能无限度增大的，如果漏磁过大，共模电感就容易饱和。因此，如果接入共模电感后，差模噪声仍需要处理，可以加入差模电感，而不是无限度提高共模电感的漏磁。
滤波器分布参数提取与分析
似乎？我们已经设计好EMI滤波器了？
其实并不是，因为我们只考虑了滤波器器件的低频等效模型，为了让我们的滤波器更接近现实，我们要考虑分布参数！
分布参数分为两种: 内部分布参数 ， 外部分布参数
内部分布参数：即要考虑 EMI 滤波器中的元器件会出现寄生参数
外部分布参数：即要考虑磁元件与磁元件之间存在近场耦合
对于磁元件，既要考虑内部分布参数也要考虑外部分布参数。
而一般的器件，考虑内部分布参数可以让公式更精确——比如公式中，将 Ldm1 模型换成 Zdm1 ，将 Cx1 模型换成 Zx1 ，随后新模型带入式中，绘制新的图，就可以得到更贴近于现实的曲线。然后将这个曲线和需要插入损耗的曲线二次对比，就可以确定所选的 Ldm1 和 Cx1&Cx2 的值是否合适。
一些优秀的厂家在官网或Datasheet当中，会提供其高频/超高频的等效模型(spice/IBIS)，这方便我们进行仿真建模。
整体流程速览：
电感寄生参数的提取
不过，如果厂家不通过高频/超高频等效模型的话，我们就需要自行测量了！对于电感，我们构建下图中的 EMI 模型，然后按照步骤得出它们的寄生参数，然后得到 Zdm1.
对于共模电感的参数提取，不同于上述的过程。
电容寄生参数提取
对于电容，厂家一般都会给出其等效模型的参数，可以拿来参考也可以自行测量进行建模 Zx1&Zx2.
滤波器的外部近场耦合
随着半导体产业的突飞猛进，开关电源开关频率也在飞速增长，大家都在追求板面积尽量减小的同时效率还能提高，那么元器件必然会贴近，近场耦合造成的 EMI 就会成为大问题。
近场耦合，简单理解就是楞次定律作用下，磁场对电感产生干扰，致使电路上滤波很干净，但是磁路上并不干净，造成了依旧噪声严重的情况，学过《信号与系统》后，我们知道基波和载波的关系如果合适(即产生谐振)，载波就会被放大。如果这个噪声就是载波，那么影响就不堪设想了(见下图)。我们不能 100%将磁路变干净，但我们可以想办法改变磁场的方向，致使将这些干扰降低到可以接受的范围内。
改变磁场的方法——改变电感的摆放位置
外部磁场对共模电感的干扰分析
在磁路上，我们将共模电感放置在测试区，然后让均匀磁场按指定方向打在电感上，得出下面的三张图片，其揭示出，只有电感以最后一种方式摆放时，EMF 的值才会为 0，即理论上不受外界磁场的影响，设计中受到的外界磁场的干扰最小，那么在 PCB Layout时，可以考虑共模电感以这样的姿态来迎接外界磁场。
其次，就是摆放位置——
上图中，对 T-输出滤0波电感 进行了磁场采集，得到了左侧的框图，我们将 CM 共模电感 的开口方向和 T-输出滤波电感 开口方向 垂直 的同时，将其放在磁场较弱处，这样，其近场耦合就会较低，噪声就会更低。
共模电感之间也会耦合，该如何减小耦合？
通过改变 DM Choke 电感的摆放角度，两电感可能会出现将共模噪声变成差模噪声 or 将差模噪声变成共模噪声的情况
磁元件近场耦合效应的测量
ANSYS可以做什么？
这篇文章其实写在我学习ANSYS之前，在学习ANSYS的过程中，我复习和修正了这篇文章，在这篇文章的最后，不妨读者也思考一下:
ANSYS仿真软件如何优化我们设计EMI滤波器的流程？
- 使用场路协同仿真(SIwave & HFSS & Circuit)，从而得到开关电源的插入损耗值。
在SIwave第七部分 SIwave之EMC分析(I)中，介绍了 SIwave 与 Circuit 进行场路协同。
通过场路协同，开关电源 的EMC设计解决方案就可以为：拿到PCB板，进行SIwave仿真，获取SXY参数，在Circuit中导入SXY数据，搭建电路，电路模型包含一个 CISPR16 的 LISN 以获取电力变换器的传导发射数据。通过时域(瞬态)仿真获取输出电压和电流。时域结果会自动转换为频域，以显示电路的共模插入损耗和差模插入损耗图。通过与设备允许的限制进行比较，推出滤波器结构和采用元件，从而获得合规性。
- 远近场耦合分析、谐振分析
在SIwave第八部分 SIwave之EMC分析(II)中，介绍了如何将Circuit仿真数据回馈于SIwave，然后得到近场耦合3D视图，远场频率辐射
上图就是仿真的结果，我们可以看到，形成的立方体展示了仿真频率发射辐射的区域，我们可以设置起始频率和终止频率，形成动画，快速了解那些区域需要注意。在下方的频率能量展示图中，我们可以得到那些频率的能量很强，需要格外关注。(近场部分)
(远场部分)
在SIwave第六部分 SIwave之电源完整性分析中，介绍了谐振特征仿真，让我们快速出现谐振的板区
选择对应的Mode，就可以在PCB板上查看哪些位置的谐振比较严重。
上述是ANSYS在EMI设计当中比较常用的仿真类型。
