EMI滤波器设计
理论：插入损耗与寄生参数
概述
电源传导噪声超标了，想加滤波器，该怎么选？
首先测出在哪些频率差多少dB。传导噪声针对150 kHz到30 MHz，开关电源中低频侧的差模和高频侧的共模容易成问题。LC滤波器在截止频率以上每十倍频程衰减约40 dB，可由所需衰减量确定L和C。但这里算的衰减是理想元件的情况，实际电感有匝间电容，电容有引线和电极电感。它们起作用后，高频时滤波器几乎不起作用。所以设计时既要看低频衰减，也要看高频的寄生参数。
插入损耗
加滤波器前后负载电压之比。源侧和负载侧都取50 Ω（LISN规定值）。单级滤波器为串联L和负载侧并联C，L = 100 μH，C = 1 μF。
寄生参数与自谐振
C_p为电感匝间电容（20 pF），L_ESL和R_ESR为电容的等效串联电感（15 nH）和电阻（10 mΩ）。
为保护无线电广播而生的标准
限制电气设备噪声的国际工作始于1934年成立的CISPR（国际无线电干扰特别委员会）。最初目的是保护刚开始普及的无线电广播接收，免受电动机和电灯噪声干扰。测量传导噪声时接入电源线的LISN（人工电源网络），是为了避免每次测量电源阻抗不同而提供50 Ω基准的装置。滤波器性能也常以这50 Ω为前提比较。
算例
例1：理想元件与含寄生参数的插入损耗（L = 100 μH、C = 1 μF、截止15.9 kHz）
| 频率 | 理想 | 含寄生参数 | 仅匝间电容 | 仅ESL |
|---|---|---|---|---|
| 150 kHz | 34.0 dB | 34.1 dB | 34.0 dB | 34.1 dB |
| 1 MHz | 65.9 dB | 74.3 dB | 66.6 dB | 73.6 dB |
| 5 MHz | 93.9 dB | 71.3 dB | 94.1 dB | 71.1 dB |
| 10 MHz | 105.9 dB | 53.8 dB | 89.1 dB | 70.6 dB |
| 30 MHz | 125.0 dB | 33.6 dB | 88.2 dB | 70.5 dB |
电感自谐振为3.56 MHz，电容为1.30 MHz。1 MHz附近电容接近串联谐振，衰减反而增大，但更高频率时两种寄生参数叠加，衰减急剧下降。
例2：在150 kHz获得60 dB的方法
| 构成 | 元件 | 150 kHz插入损耗 |
|---|---|---|
| 1级（基准） | 100 μH + 1 μF | 34.0 dB |
| 1级（加大） | 473 μH + 4.73 μF | 60.0 dB |
| 2级 | 两组 100 μH + 1 μF | 72.7 dB |
与其单级用大元件，不如同样元件做两级更有效。
单级衰减随频率平方增加，但对元件值只与LC之积成正比，要增加20 dB积就得增大10倍。做成两级后衰减随频率四次方增加，同样元件按级数相乘起作用。大电感匝数多、匝间电容也大，高频性能变差，从这点看增加级数也更有利。但级间可能发生谐振，要加阻尼电阻抑制谐振峰。而且无论元件多好，输入侧与输出侧走线靠近而通过磁场或电场耦合时，噪声会绕过滤波器。高频时元件布置和接地决定性能。
设计与分析流程
- 把未加对策的噪声分成差模和共模测量。
- 由与标准的差加上余量，按频率确定所需插入损耗。
- 用含寄生参数的电路仿真确认插入损耗。
- 用阻尼电阻抑制级间谐振。
- 通过布局减小输入输出耦合和接地阻抗，再实测确认。
“换了大扼流圈反而更差”
某电源在20 MHz附近噪声超标，把共模扼流圈换成电感更大的之后，低频改善了，20 MHz附近反而恶化。大扼流圈匝数多、匝间电容大，自谐振降到几MHz，20 MHz时作为电容起作用让噪声通过。增加一个电感小的高频扼流圈做成两级后，20 MHz附近也达到标准以内。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 按理想元件设计 | 高频无效 | 计入寄生参数 |
| 只加大L | 自谐振降低 | 增加级数 |
| 不区分噪声模式 | 对策无效 | 分离差模共模 |
| 忽略级间谐振 | 特定频率恶化 | 加阻尼 |
| 输入输出走线靠近 | 绕过滤波器 | 分开布置 |
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