摘要： 为了减少EMI滤波器的体积，提高开关电源的功率密度，本文提出了一种平面全集成EMI滤波器结构。采用此结构，可以将EMI滤波器的共模电感，差模电感，共模电容和差模电容全部集成到一幅平面磁芯中。给出集成EMI滤波器差共等效电路的高频模型，并推导了其插入损耗的计算公式，实验样机表明实验结果和理论分析以及仿真结果吻合较好。
关键字： EMI滤波器，差模，共模，平面集成，插入损耗
1 引言
近些年来，随着开关电源性能的不断提高，出现了体积越来越小，功率密度及效率越来越高，且对电网没有污染或者污染很少的“绿色电源”[1-3]。此外，在一些便携式设备（如笔记本电脑、手机）中，电源变换器的整体高度要求越来越低。因此，“扁平化”便成为开关电源的发展趋势之一[4-7]。EMI滤波器占据了电源模块15%~20%的空间。因此，开关电源的小型化和轻薄化，不能单纯地依靠有源部分的减小，很有必要将无源元件的集成放到与有源部分的集成同等甚至略重的地位上[6]。
无源集成技术是现代电力电子磁技术中的关键技术之一。采用此技术，可将EMI滤波器中所有无源元件全部集成在一幅磁芯中，不仅减少了EMI滤波器的体积，提高了开关电源的功率密度和空间利用率，而且有效地减小了寄生参数，提高了滤波器的高频特性。磁集成技术作为无源集成中一个重要的研究方向，在DC-DC变换器和EMI滤波器的研究中，已经取得了一定的研究成果[8-11]。
为了实现EMI滤波器电感和电容的全部集成，美国弗吉尼亚电力电子研究中心(CPES)做了大量的研究工作[13-16]，并提出了开关电源EMI滤波器的平面无源集成结构[15]；在国内，浙江大学提出的柔性多层带材(Flexible Multi-Layer foil)集成EMI滤波器工艺简单，有较好的发展前景[17-19]。文献[20] 提出了有源和无源滤波器集成的思路，然而，集成滤波器的电容仍然采用分立电容（贴片电容）。
CEPS的集成EMI滤波器，采用了介电常数高达14000的陶瓷材料(Y5V)，因此，用很小的体积就可以实现很大的电容，从而大大减小了集成EMI滤波器的体积。但是，高介电常数的陶瓷材料随频率和温度变化时，容值稳定性较差[18-19]。此外，由于平面磁芯的漏感较小，CEPS为了增大差模电感量，插入了漏感层。因此，增加了集成结构的复杂性和EMI滤波器的重量及体积。不仅如此，为了实现高性能EMI滤波的平面无源集成，CEPS还采用了电镀，光刻，化学腐蚀，回流焊接以及激光加工等现代先进集成工艺，这无疑增加了生产成本；而浙江大学所提出的无源集成EMI滤波器的体积较大，机械稳定性较差，更重要的是不符合开关电源的“扁平化”发展趋势，而且绕组间的结构电容很难消去。因此采用介电常数较低，温度和频特性较好的介质材料来集成高性能的平面EMI滤波器是当前所面临的困难。
由于开关电源在0.15~0.5MHz频段内，主要以差模干扰为主，其它频段内主要以共模干扰为主[21]；此外，共模电容较差模电容小得多。因此，本文先选用高性能、低介电常数的覆铜箔层压板(CCL)来集成共模电容，然后在此基础上采用介常数较高的陶瓷材料来集成差模电容，而电感主要依靠PCB绕组来实现。
2 平面全集成EMI滤波器的实现
2.1 共模电容的集成
如图1所示的LC模块是集成平面EMI滤波器的基本模块，将此模块安放在平面磁芯的中柱，可以得到确定的电感和电容。LC模块极大地减少了集成电容的等效串联电感(equivalent series inductance，ESL)及引线电阻(equivalent series resistance，ESR)，因此，LC模块是集成EMI滤波器的一种理想模块。
由LC模块等效电路，电容的计算如(1)式：
C=ε0εrwc/d (1)
(1)式中εr为介质的相对介电常数；wc为铜箔的面积；d为介质的厚度；
由(1)式可以看出，对确定的LC模块来说，要增大电容，只有两种方法：一是减少介质的厚度；二是增大介质的相对介电常数。由于CCL的介电常数较小；此外，介质厚度受击穿电压的限制也不可能做得太薄，因此，欲增大平面集成电容就需另辟蹊径。文献[16]提出了平面电容的并联，文献[18]提出了集成电容的交错并联。本文将两者思想进行结合，即LC模块的堆积式交错并联，可实现增大平面集成电容，其结构如图2所示。
根据图2可得到n个LC模块堆积式交错并联后的总电容表达式如(2)式：
Cn=(2n-1) ε0εrwc/d (2)
开关电源EMI滤波器的电路如图3(a)所示，图3(b)为7个无源无件集成的模块。因此，采用LC模块的交错并联可实现如图3(c)所示的EMI滤波器平面集成。
2.2 差模电容的集成
然而在图3所示的集成结构中，差模电容Cx是由两个共模电容串联而成的，其值远远小于开关电源中差模电容的值。此外，只能实现一个差模电容的集成。因此，有必要采用新方法来实现差模电容的集成。由于差模干扰的频段较窄，而且频段相对较低，因此，在不显著增大集成EMI滤波器体积的前提下，可选用相对介电常数较高的陶瓷材料来实现差模电容的集成。在图3(b)所示的集成结构中，再外加两个LC模块便可实现EMI滤波器的全集成。具体结构如图4所示。
3 平面全集成EMI滤波器的理论分析及参数计算
由图4可以看出共模电感的集成是由两部分组成的，一部分是由PCB绕组或者是铜薄绕组[16]形成的，该部分电感量较大；另一部分是3个LC单元模块上的绕组形成的，该部分电感量较小。集成共模电感的集总等效参数计算如(3)式：
(3)
(3)式中μeff为磁芯的有效相对磁导率；Ae为磁芯的有效截面积；n为绕组的匝数；le为磁芯的有效磁路长度。
通常对分立元件构成的传统EMI滤波器来说，由于制做工艺的限制，两个共模电感不可能做到完全相等。因此，在差模噪声通过EMI滤波器时，就会形成一定量的差模电感（即漏电感），正好可以用来抑制差模噪声。一般分立元件构成的差模电感为共模电感的0.5%~2%，对于平面无源集成的EMI滤波器来说，此方法同样适用。本文为了避免冗繁的理论推导和计算，事先制作好样机，通过测试法直接得到了漏感的准确值[22]。随着开关电源的噪声频率逐渐升高，在较低频段可以忽略的寄生参数变得不能忽略。由于电感的等效并联电容(EPC)和电容的等效串联电感(ESL)对EMI滤波器的高频特性有着显著影响[12][15]。从理论上来说，采用如图1所示的结构来集成电容，介质的覆铜厚度一般为几十微米，因此电容的引线就最短化了，即电容的ESL也最小化了，进行估算时是可以忽略的。对于事先做好的样机来说，共模电感直流电阻和电容的直流电阻可以直接测量，两者都表示欧姆损耗；此外，EPC可以根据谐点计算得到，也可根据寄生电容储能的原理来推导。
而两个差模电容的值，按(1)式计算。
4 平面全集成EMI滤波器高频模型的建立及插入损耗表达式的推导
4.1 共模等效电路高频模型的建立及插入损耗表达式的推导
由文献[23]可知，在小信号激励下，EMI滤波器可以表征为一个线性无源二端口网络。根据文献[12]和[15]，考虑元件寄生参数，建立所提出EMI滤波器结构共模等效电路的高频模型如图5所示。在图5中左端加一小信号源（设其内阻为RS），右端加一负载RL，根据二端口网络A参数矩阵的定义，(4)式给出了共模等效电路调频模型的插入损耗表达式。
(4)
(5)
其中：
(6)
(7)
将(5)(6)(7)代入(4)可以得出共模等效电路高频模型的插入损耗涵数表达式。
4.2 差模等效电路高频模型的建立及插入损耗表达式的推导
由于差模电感是由漏感来实现的，因此差模电感几乎没有等效并联电容(EPC)，可以看做是理想的纯电感元件；此外，差模电容是采用LC模块来实现的，因此，差模电容的ESL已是最小化了，为了避免建立复杂的差模等效电路高频模型以及计算过于困难，本文选用理想的差模等效电路来代替实际的高频模型，相对来说误差较大些。(8)式给出了理想的差模等效电路 参数矩阵。
(8)
(8)式中，L为差模电感；C为差模电容；将(8)式代入(4)即可得出差模等效电路的插入损耗涵数表达式。
5 实验和仿真验证
为了验证所提出结构共模等效电路和差模等效电路高频模型的插入损耗，可以通过实验和仿真进行验证，将实验结果、仿真结果与计算值进行比较。本文采用覆铜箔环氧玻纤布层压板，陶瓷介材料以及PCB绕组制作了两台实验样机，如图5所示，右边的为图(3)所示的集成EMI滤波器结构，左边的为图(4)所示的全集成EMI滤波器结构。全集成EMI滤波器的体积约为19cm3，而文献[15]指出传统EMI滤波器的体积为39.8cm3。
所有集成元件参数值都采用高精度元器件分析仪(3255 Automatic Component Analyzer )测试所得。全集成EMI滤波器插入损耗的理论计算、仿真参数如表1所示。表2给出了样机的几个主要计算参数值，表3给出了实验样机的结构及材料参数。
表 1 样机参数值
Tab.1 Parameters of prototype
类别 值
共模电感 Lcm1 0.55mH
Lcm2 0.54mH
CP 10pF
共模电容 Cy1 1.25nF
Cy2 1.28nF
差模电容 (Cy1) 38nF
差模电容 (Cy2) 38nF
差模电感（漏感） 4.2μH
体积 约19cm3
表 2 样机主要参数计算值
Tab.2 Calculated main parameters of prototype
类别 值
共模电感 0.58mH
共模电容 1.40nF
差模电容 47.8nF
表 3 结构及材料参数
Tab.3 Parameters of materials and structure
名称 参数 值
平面磁芯 (EE32) 相对磁导率 1500
共模电感 层数 2
每层匝数 5
PCB板厚度 600μm
平均每匝长度 10cm
线宽 1mm
共模电容 铜箔厚度 35μm
介质厚度 150μm
介质介电常数 7
LC单元个数 4
LC单元的面积 850m2
差模电容 陶瓷介质相对介电常数 3000
每片陶瓷的面积 3.6cm2
陶瓷介质的厚度 0.2mm
按照EMI滤波器插入损耗的定义，不断改变噪声源的频率，测试电阻RL两端的电压值。根据(9)式，可以计算出所有测试频率点的插入损耗值。
IL=20lg(V2-V1) (9)
(9)式中V1为没接滤波器时，RL两端电压；V2为接上滤波器后，RL两端电压。图6给出了共模和差模实验测试波形，由(9)式可计算出其它所有测试点的插入损耗值，如表4和表5所示。
表 4 共模插入损耗测试表
Tab.4 Test table of common-mode insertion loss
频率(kHz) 插损(dB) 频率(kHz) 插损(dB) 频率(kHz) 插损(dB)
100 -15.95 700 -35.68 4000 -44.56
150 -19.79 800 -36.03 5000 -43.67
200 -22.35 900 -38.78 6000 -40.13
300 -26.25 1500 -46.7 7000 -39.79
400 -29.71 2000 -81.53 8000 -38.78
500 -32.04 2150 -50.71 9000 -38.78
600 -34.24 3000 -46.29 10000 -38.78
图7给出了共模插入损耗的计算值，仿真值和测试值曲线，图8给出了差模插入损耗的三条曲线。比较图7中三条曲线，除了在谐振点的差较大外，其它点吻合较好。在图8中，由于考虑是差模等效电路的理想模型，因此计算值，仿真值和实验值的差距较大，但是总体的变化趋势还是一致的。此外，考虑到实验并非在严格的屏蔽条件下进行的，样机参数值较小且与周围设备之间存在耦合，再加上实验误差，因此，差模实验结果并非很理想。
6 结论
本文在提出堆积式交错并联集成平面EMI滤波器共模电容的基础上，通过外加两个LC模块实现了平面EMI滤波器的全集成。推导了其共模和差模等效电路高频模型插入损耗的表达式，对平面全集成EMI滤波器实验样机的共模等效电路和差模等效电路高频模型进行了实验和仿真验证，实验结果、仿真结果和理论分析表明三者吻合较好。因此，采用堆积式交错并联技术解决了平面无源集成增大电容的困难，为集成EMI滤波器提供了另一种可能。基于此结构的EMI滤波器体积比传统EMI滤波器体积减少了30%以上。这对减少开关电源的体积，提高开关电源等变换器的功率密度和性能，解决日益严重的电磁干扰问题，推进无源集成技术的发展有着重要意义。
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作者简介
杨玉岗（1967—），男，教授，博士，硕士生导师，研究领域为电力电子技术及无源集成技术。
王长华（1983—），男，硕士研究生，研究领域为电力电子技术及无源集成技术。
胡 鹏（1985—），男，硕士研究生，研究领域为开关磁阻风力发电系统。
