PCB 导线分裂技术在平面EMI 滤波器中的应用

1. 引言1

  电磁干扰(EMC)正日益成为困扰开关电源发展的严重问题,并严重影响电网及邻近设备的正常运行[1]。采用EMI 滤波器是抑制传导电磁干扰的有效方法。典型EMI 滤波器工作原理如图1——VAC 通常代表电网或前级电气设备,LISN 为EMI 测试采用的线路阻抗稳定网络,EUT 为待测设备,在电力电子领域内其通常为开关电源

  图1 EMI 滤波器工作示意

  EMI 滤波器一般采用无源结构,以电感、电容为基本组成单元。由于传统的EMI 滤波器的电感和电容采用分立元件,占据了电力电子设备的较大体积,已不符合开关电源小型化、集成化的发展趋势。如何压缩体积,并更加有效阻断EMI 路径,成为发展新型EMI 滤波器的重要方向之一。目前,较具有代表性的发展方向是由CPES 较早提出的磁集成方法[2]。此方法在不改变传统EMI 滤波拓扑的基础上,在高介电常数陶瓷板上直接覆铜,构成LC 集成单元,并按照传统EMI 滤波器设计方法,分别利用LC 集成单元构成共模滤波和差模滤波结构,进而组成完整的EMI 滤波器。本课题组经过进一步研究,提出环形LC 集成单元,并组成完整的平面EMI 滤波器(图2)。

  平面EMI 滤波器的特点是采用平面集成LC 结构(图3)代替传统的分立式电感和电容,组成EMI 滤波器的经典结构。

  由于EMI 滤波器串联于电网与开关电源之间,故其载流能力必须符合开关电源设计要求。受制于现有的陶瓷板覆铜技术,对于矩形铜导线的厚度有较大的限制,当通过较大的电流时,铜导线宽度必然增大,影响平面EMI 滤波器的电磁特性。文献[3,4]提出采用交错绕组结构以减小共模绕组的等效并联电容。但这种方法应用于平面滤波器结构时会影响共模电容值,且对耦合系数要求过高。本文基于现有的平面LC 集成结构电磁模型,分析集肤效应对于EMI 滤波器寄生参数的影响,并采用有限元法计算采用分股并联PCB 导线结构后,LC 单元寄生电容和寄生电阻的参数变化。

  2.集成LC 单元寄生参数对结构设计的影响

  2.1 集成LC 单元寄生参数设计

  经典的EMI 滤波器设计中,EMI 干扰分为共模干扰与差模干扰,两种干扰产生的主要原因不同,滤波器基本结构也不相同[5],图3 为平面EMI 共模干扰滤波器的等效电路图。

  其中,RLISN 为LISN 等效标准电阻,RLISN=25Ω;LCM、CY 为等效共模电感、共模电容;CEPC、RESR 分别为共模电感的寄生等效电容值与等效串联电阻值。根据等效电路,图4 在EMI 测量频段内,其共模电感的阻抗越大,RLISN 两端电压越小,即EMI 干扰的测试值越小,共模电感的阻抗值为:

  式(1)表明,当频率小于自谐振频率( 0 1 c EPC ω = L C )时,阻抗呈感性,当频率大于谐振频率时,阻抗呈容性。同时,在自谐振频率前,等效串联电阻越大,阻抗(ZLCM)越大。图5 为考虑共模电感寄生参数的共模滤波器插入损耗特性。

  比较曲线l0 与曲线lR1、lR2,可以看出在共模滤波器其它参数不变的条件下,增大等效串联电阻,可以提高谐振频率点处的插入损耗,并进一步提高其它频率点处的插入损耗。比较曲线l0 与曲线lC1、lC2 发现,减小等效并联电容,可以将共模电感的自谐振频率点增大,从而改变共模滤波器插入损耗曲线的谐振频率点,提升其滤波性能。在设计平面集成LC 单元时,需尽量减小共模电感的等效并联电容(EPC),并增强集肤效应,从而加大

  其高频交流等效串联电阻(ESR)。

  2.2 共模模块PCB 导线交流等效串联电阻分析

  集成LC 单元采用矩形导线(图6),为增大等效串

  联电阻,我们可以利用集肤效应与邻近效应,提高集

  成共模电感在高频段的交流电阻。

  图6 矩形截面导线模型

  其中,R— 导线轴心距;

  W— 铜导线的宽度;

  H— 铜导线的厚度。

  根据传统的经验公式,矩形PCB 导线的等效串联

  电阻交、直流电阻比为[6]:

  由式(2)可以看出,导线的等效串联电阻的交直流电阻比(Kac)与导体宽度与厚度比相关,相同的导线截面积,设计不同的导线宽度时其高频段等效串联电阻会有较大变化。采用经验公式简单快捷,但此经验公式不够精确,故本文采用有限元法计算等效串联电阻的交直流电阻比。

  2.3 共模模块PCB 导线等效并联电容分析

  EMI 滤波器的载流能力受制于开关电源功率等级,当其流过较大电流时,PCB 导线截面积必然增加,此时导线截面宽度与厚度有两种设计(图7)。

  为比较两种导线设计趋势的优缺点,建立平面LC单元等效并联电容模型[7](图8)。

  图8 表明,等效并联电容分为两部分,分别为上表面区域构成的电容Cgu 和下表区域构成的电容Cgb。由于陶瓷板介电常数远远大于周围空气的介电常数,故可以认为几乎所有的通量被限制在高介电常数的陶瓷基板内,导线边缘产生的电容可以忽略不计,等效并联电容主要有Cgb 决定。此时将Cgb 看成为一个“电容器”。为减小等效并联电容(EPC),在导体间距不变的情况下,需增大导线下表面的表面积。故“窄而厚”的设计更加符合集成LC 单元的要求。

  2.4 分股导线结构在集成滤波器中应用

  由于高介电常数的陶瓷板上覆铜厚度有较大的限制,单股结构的LC 单元导线宽度不易减小。为尽量减小PCB 导线宽度以减小共模电感的等效并联电容,可以借鉴常见的平面电感设计原理,采用分股并联的LC 单元结构(图9)。

  新型结构是将陶瓷基板结构的LC 单元与PCB 基板结构的平面电感紧密压制,从而将单股矩形导线分成多股宽度较小的导线,并使各股铜导线通过PCB 基板上的通孔并联。这种结构合理的利用了成熟的PCB基板技术,在保证PCB 板厚度足够小的情况下,有效缩小了单板表面积与整体体积,同时利用PCB 技术解决陶瓷基板焊接不易的问题,图10 为导线并联结构LC 单元模型。

  3. 单股导线结构寄生参数计算

  比较不同宽度下两匝间等效并联电容(EPC)与等效串联电阻的交直流比(图11、12)。计算结果表明,导线截面积一定时,平面LC 单元的等效并联电容与导线宽度(W)呈线性关系。PCB 导线宽度越小,其等效并联电容越小。PCB 导线宽度越小,其交直流电阻比(Kac)越大,高频时共模电感的等效串联电阻越大。

  4. 分股并联导线结构寄生参数计算

  采用分股并联导线结构代替单股矩形导线结构,以三股为例,建立新的有限元计算模型[8],计算LC 单元的寄生参数(图13~图15)。

  采用新结构后,导体宽度成倍减小,进而等效并联电容明显减小。同时,虽然分裂导线减弱矩形导线的集肤效应,同等宽度下交流电阻有所减小。但对比于同等厚度矩形导线单股导线结构,新结构的导线集肤效应得到加强。

  5.实验验证

  为验证采用分股导线结构后,其等效并联电容的变化趋势,采用PCB 基板制作两种宽度LC 单元系列。LC 单元系列1 以2.5mm 宽度导线构成单股结构LC 单元,并制作其相应的双股并联结构和三股并联结构;LC 单元系列2 以1.5mm 宽度导线构成单股结构LC 单元,同样制作其相应的双股并联结构和三股并联结构。其中系列1 的导线间距(G)为0.75mm,系列2的导线间距为1.5mm,电容测试采用Agilent 4395A 阻抗分析模块。

  比较上表中各数据,可以看出对于任意参数的LC单元,采用分股并联结构后,其等效并联电容都会有一定的减小,且分裂股数越多,其等效并联电容越小。

  6. 结论

  以环形“感容”集成结构为基本组成单元(LC 单元),论证了集成电感等效并联电容(EPC)及等效串联电阻在高频段与PCB 导线截面宽度的关系,并在现有技术前提下提出一种改进方法,得到如下结论:

  (1) 降低电感等效并联电容或是提高其等效串联等效电阻,都可以提高EMI 滤波器高频段的滤波性能。

  (2) 在矩形导线截面积一定的条件下,减小导线宽度、增加厚度可以减小等效并联电容,增强集肤效应、增大交流电阻。

  (3) 采用分股并联结构后,其等效并联电容基本不变,并可以获得较大的交流电阻。

 


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