寄生效應為什麼產生非預期的EMI濾波器諧振？

作者 : Brent McDonald，TI電源設計服務團隊系統工程師

本文探討寄生效應為什麼會在電動車(EV)基於GaN的車載充電器(OBC)中產生意想不到的EMI濾波器諧振...

電磁干擾(EMI)被稱為電源設計中最困難的方面之一。我認為這樣的風評多半來自於大多數與EMI有關的挑戰並非查看原理圖就能解決的問題。這可能令人沮喪，因為原理圖是工程師瞭解電路功能的中心位置。當然，我們知道設計中有一些相關功能並未包含在原理圖中——例如程式碼。

我們還知道原理圖中並不會展現印刷線路板寄生效應之類的東西。然而，在EMI中，像這樣的寄生效應可能影響滿足要求的能力，迫使我們擁有必要的經驗來辨識哪些類型的寄生效應會對EMI頻譜造成積極或消極的影響。本文探討這些類型的寄生效應為什麼會在電動車(EV)基於氮化鎵(GaN)的車載充電器(OBC)中產生意想不到的EMI濾波器諧振。

圖1顯示OBC的高層級系統。其主要功能在於負責電網到車輛(G2V)的電池電壓和電流充電。第二個功能是實現車輛到電網(V2G)的功率流，以便電動車可以補充具有波動峰值容量的再生能源。

圖1：此示意圖顯示車載充電器的高層級系統。(圖片來源：IEEE)

現在，讓我們將注意力轉向OBC內部的EMI考慮因素。

車載充電器的EMI

EMI包括差模(DM)和共模(CM)兩種雜訊。對於OBC系統，差模雜訊主要由功率因數校正(PFC)的輸入電流所產生，而共模雜訊則可能由PFC和電容-電感-電感-電感-電容(CLLLC)所產生。圖2原理圖的右下角顯示OBC的冷卻解決方案(冷板)。冷板對於防止元件過熱至關重要；但是，它的存在會引發影響EMI的寄生電容。

圖2：原理圖右下角的寄生效應會導致EMI。(圖片來源：TI)

如圖2所示，在開關節點到冷板之間、在冷板的初級接地和次級接地之間以及在CLLLC變壓器的初級繞組和次級繞組之間存在寄生電容。這些寄生電容會在系統中產生共模雜訊電流或影響其大小。

使用估計的寄生電容進行的模擬結果顯示，在最壞的情況下，僅使用2.2µF輸入電容(C_X1)的裸差模雜訊約為110dBµV。同樣地，沒有任何共模濾波器的裸共模雜訊在大約350kHz時約為115dBµV。設計兩級EMI濾波器，有助於將EMI雜訊衰減到低於國際無線電干擾特別委員會第32號(CISPR 32)標準。

L_CM1和L_CM2在350kHz時的共模阻抗約為3kΩ。其漏感約為6.4µH，用於差模雜訊衰減。C_X1和C_X2是用於差模雜訊衰減的2.2µF薄膜電容器，而C_Y1、C_Y2、C_Y3和C_Y4則是用於共模雜訊衰減的4.7nF陶瓷電容器。

理想情況下，經過設計的濾波器，其裸共模雜訊和裸差模雜訊均應能衰減65dBµV以上，EMI雜訊應能符合CISPR 32標準。然而，仍有一些實際挑戰需要解決。

EMI濾波器諧振

EMI濾波器在設計上充滿了共振。事實上，正是這些諧振使濾波器能夠衰減雜訊並使系統通過EMI標準。圖3顯示EMI濾波器的典型衰減曲線。請注意，在高於100kHz的頻率下，濾波器能有效地降低振幅。但是，在100kHz以下卻有一些諧振，如果存在於開關頻率之上，則可能產生很大的問題。

圖3：這是板載充電器典型EMI濾波器的衰減情況。(圖片來源：TI)

顯然，沒有人會故意在開關頻率上設置諧振，但互連阻抗、寄生元件或此二者有時會促使系統以一種無意的方式運行。

圖4所示的EMI濾波器與圖2相比略有修改。不同之處在於紅色的元件。L_P1和L_P2代表EMI濾波器和PFC輸入之間互連的寄生電感。L_P1和L_P2的存在需要一些局部電容才能使PFC電流流過。因此，將C_X1移至PFC的輸入並添加C_X0，會增加濾波器的衰減。將四個紅色元件組合在一起，將產生240kHz的共振。在本設計中，240kHz是兩相PFC的轉換組合開關頻率。這種諧振會放大開關電流，隨後會使該頻率下的EMI變得更糟。

圖4：所示EMI濾波器在開關頻率處具有諧振。(圖片來源：TI)

圖5顯示了流過L_P1的交流線路電流(洋紅色)以及交流輸入電壓(藍色)的時域波形。請注意，電流具有顯著的240kHz正弦波，其峰對峰值振幅為28A。該正弦波形成的直接原因是，PFC三角波電流流經了圖4中紅色元件所意外形成的放大器。

圖5：流經LP1交流線路電流的時域波形(以紫紅色顯示)。(圖片來源：TI)

抑制這樣的諧振可能具有挑戰性，因為它通常需要使用比電路中所用更大的電感器或電容器來設計阻尼器。另一種可能的解決方案是降低互連的電感，以便使諧振不再位於開關頻率之上。理論上還不錯，但實際上，這裡出現互連是有原因的。所以，如果把它變小並不可行。

另一種方案是考慮是否保留C_X0和C_X1。我們無法移除C_X1，因為PFC需要一些本地輸入電容來提供高頻電流。但是，C_X0用於增加電容，目的在於增加衰減。將C_X0移除後，EMI改善了大約6dBµV。其振幅降低了50%，並實現了通過標準所需的很大一部份衰減(65dBµV)。這個數量非常可觀。

兩個設計要點

這裡的設計要點包括兩個部份。首先是本文一開始提到的前提條件：原理圖無法說明EMI的全部情況。在此情況下，互連電感會導致意外諧振，進而放大開關頻率雜訊。認清此問題的根本原因始終是除錯最關鍵的一步。

第二個要點是，有時通常好的東西(濾波電容器)越少越好。我們通常以添加元件來解決EMI問題，但在此情況下，元件的存在會使問題變得更糟。因此，移除C_X1即可縮減濾波器的尺寸、降低系統成本並改善EMI。

(參考原文：How parasitics create an unexpected EMI filter resonance，by Brent McDonald)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2023年2月號雜誌

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