π型滤波器设计步骤和应用实例

引言：在开关电源中，开关管周期性的通断会产生周期性的电流突变(di/dt)和电压突变(dv/dt)，周期性的电流变化和电压变化则会导致电磁干扰的产生。

1.电感的频率特性

图13-1所示为Buck电路的电流变化，在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的，这些突变电流导致了电磁干扰的产生。

图13-1：Buck电路电流变化

图13-2为Buck上管电流的频域分析图，电磁干扰出现在基波及其谐波频率处，这个噪声是开关电源特性所致，它的产生是无法避免的，因此需要π型滤波器对此干扰进行抑制。

图13-2：Buck上管电流的频域分析

2.π型滤波器设计

图13-3为典型传导EMI测试架构，
DUT为待测设备，LISN主要用来隔离测试中电网可能导致的高频干扰，从而使得EMI测量到DUT产生的真正EMI干扰。π型滤波器由滤波电感L，滤波电容Cf和阻尼电容Cd组成，Cin是DCDC的输入电容。π型滤波器是用来过滤DUT产生的EMI，以阻止DUT对电网的电磁干扰。

图13-3：典型π型滤波器原理图

3.π型滤波器设计步骤

计算衰减倍数

在设计π型滤波器时，首先要确定衰减量Att(dB)，如果已经测过没加π型滤波器的传导EMI，只需用基波处最大干扰值Vnoise减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声Vmax即可。

如果没有测过没加π型滤波器的传导EMI，可以通过以下公式对衰减量进行估算。以下公式通过对开关电流进行傅里叶分解，得到预估的基波干扰量，然后再减去相应频率EMI标准允许的最大dBuV噪声max，得到预估衰减量。

其中：

1#：Vmax是EMI标准允许的最大dBuV噪声

2#：Cin是已有输入电容

3#：D是占空比，I是输出电流

4#：fs是开关频率

选择滤波电感感值

电感L取值通常在1uH到10uH之间，可以根据情况进行电感值的选取，如果用于大电流应用中，可选取小电感来减小损耗。

计算滤波电容CF容值

电容C_fa值用于确保EMI滤波器的谐振频率至少低于十分之一开关频率，C_fb值用于确保EMI滤波器有足够的衰减量，选取C_fa和C_fb中更大的值作为滤波电容Cf容值。

计算阻尼电容Cd的容值

滤波电感L和滤波电容C_f组成的LC滤波器对传导噪声进行有效的抑制，同时滤波电感L和输入电容Cin也组成了一个LC滤波电路。这个LC滤波电路的输出阻抗(即π型滤波器在VIN点的阻抗)必须足够小，才能使π型滤波器不会明显影响开关电源的环路增益。LCR电路的Q值为：

要使π型滤波器对开关电源的环路增益尽可能小，则需增加阻尼电容Cd和ESRd来降低LC的Q值。图13-4展示了不同Cd值对应的增益曲线，从中可以看出增加Cd可以使Q值减小，图13-5展示了不同ESR值对应的增益曲线，从中可以看出ESR的增加可以使Q值减小。

图13-4：LC滤波中电容Cd对Q值的影响

图13-5：LC滤波中电容Cd的ESR取值对Q值的影响

对于Cd和ESRd值按照以下公式进行取值：

阻尼电容d一般建议使用有较大等效串联电阻(ESR)的电解电容，除上述原因之外，Cd的ESR可避免DCDC输入产生振荡。(传送门：DC-DC-10：滞回反馈控制模式)DCDC在输入电压增加的时候，输入电流是减小的，因此可以等效为负阻抗电路。一个负阻抗电路与LC滤波器是十分容易振荡的，因此需要Cd有一定的ESR来避免输入产生振荡。

4.π型滤波器应用实例

图13-6所示是在车载导航产品上无π型滤波器的传导测试结果,
传导干扰超标主要在开关频率(fsw=850kHz)及其谐波频率处，由于传导EMI超标，需要使用π型滤波器进行优化。

图13-6：无π型滤波器的传导测试结果

开关频率为850KHz，输入为12V，输出为5V-3A，输入电容为20uF。EN55032在基波处的限制为45dBuV。已知量为：D=41.67%、fs=850kHz、Cin=20uF、I=3A、Vmax=45dBuV。以下为π型滤波器计算步骤：

计算衰减倍数

由图13-6可知基波的干扰最大值为90dBuV，目标通过π型滤波器将干扰降为Vmax=45dBuV，因此衰减倍数为：

选择滤波电感感值

为减少电感带来效率损耗，选取L=1.5uH。

计算滤波电容Cf容值

取Cf=4.7uF

计算衰减电容Cd容值

此处选用Cd=100uF，选用具有较大ESR的电解电容。

图13-7为使用上述参数的π型滤波器的仿真结果，可以看出在开关频率处，π型滤波器对干扰信号有高于40db的抑制效果。

图13-7：π型滤波器增益曲线仿真

图13-8为使用上述参数的π型滤波器的实际测试结果，可以看出π型滤波器对传导干扰有明显的改善效果。

图13-8：SCT2450加π型滤波器后的传导测试结果